有机硅材料超疏水表面和疏水表面的防覆冰性能研究

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覆冰严重威胁着电力通信、交通运输的安全运行,给人们的生产、生活带来诸多不便。现有的防冰除冰方法存在耗能大和环境污染等问题。防覆冰涂层利用涂层的物理化学性质和微观结构来实现抗冰目的。而疏水型涂层则一直是研究的主流,主要包括静态水接触角90°<CA<150°的低表面能涂层以及CA>150°的超疏水涂层。低表面能涂层可以减小基体表面与水分子间的相互作用力,从而降低表面和冰的粘附力。有机硅材料由于成本低、表面自由能低,在防覆冰领域具有广泛的应用前景。超疏水表面特殊的润湿性能以及微观结构,使其兼具防结冰性和疏冰性,然而超疏水表面的防覆冰性能易受外界环境的影响,尤其是在冷凝环境中,固体表面的超疏水性可能转变成粘滞性。但由于实验条件以及表面微观结构的差异结论莫衷一是。  本文以硅基聚合物为基础,制备了含硅类超疏水和疏水表面,系统地对比研究了冷凝条件下样品的防覆冰性能,探讨了表面润湿性能随温度湿度的变化以及样品的表面能对覆冰粘附力的影响。并利用过冷水滴撞击实验研究样品表面的动态性能,分析了水滴运动过程中的特征变化形态,发现水滴在表面的回缩过程受表面粘滞性的影响最大。结果表明,超疏水表面因化学修饰物的性质差异导致其受冷凝影响程度不同,证明了只有在冷凝环境下仍能保留“空气垫”的超疏水表面才具有具有主动防冰/疏冰功能,指出了超疏水表面在低温高湿环境下,防覆冰性能的局限性。而有机硅疏水表面的润湿性能受冷凝影响很小,且样品的覆冰粘附强度低,仅为20kPa-100 kPa,具有优异的疏冰性能,并证实了有机硅材料表面的化学性质在防覆冰效果中的主要作用。
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