低表面能/光热防除冰表面的构筑与性能研究-文献详情-维普官网

文献检索

任意字段

文献信息

任意字段
主题词
篇关摘
篇名
关键词
摘要
作者
第一作者
作者单位
刊名
中图分类号
学科分类号
DOI
基金

智能检索

高级检索

检索历史

低表面能/光热防除冰表面的构筑与性能研究认领

作者：

田艺

学位授予单位：

西北工业大学

摘要：

冰、霜的形成对人们生活的诸多方面都造成了严重的威胁,比如交通、基础设施和能源系统等。传统的除冰方法,如加热、机械、化学、超声波振动等主动除冰方法,存在能耗高、效率低和环境污染等问题。因此,开发有效的防/除冰方法和技术以减少或抑制表面结冰,已成为一个亟待解决的问题。被动防冰,即在无需外部条件作用的情况下便能够延缓或者抑制冰成核、降低冰粘附力,受到了广泛关注。目前常用的被动防冰方法主要有构筑超疏水表面和设计仿生低表面能液体注入多孔表面(SLIPS)等。虽然近年来研究者们针对这些方法开展了大量研究,但迄今,关于材料表面性质以及微结构与防冰性能之间的关系还有待进一步深入研究。现有防冰材料大多存在与基材附着力较弱、材料耐磨性差等问题,致使其在恶劣的工作环境(如飞机和风力涡轮机等)下,实际应用仍然面临诸多挑战。首先,具有微纳结构的超疏水表面对延缓冰成核、降低冰粘附强度有积极作用,但同时也存在一些缺点。例如,超疏水表面多是由复杂的微纳结构构成,存在制备过程复杂难以规模化以及耐磨性差等问题;另外,目前报道的超疏水表面大部分仍存在固体表面与冰界面发生“机械互锁”极大地增加冰黏附强度,增加除冰难度等问题。其次,SLIPS中的润滑剂在长期储存的情况下会因挥发而持续损失,或在除冰过程中随着冰滴/柱的移除而脱落,从而影响防冰效果。SLIPS中孔道结构、尺寸、润滑剂等对防冰耐久性的协同影响机制仍有待探究。本论文主要针对上述问题,深入研究调控材料表面结构和润湿性的方法,并通过被动防冰与主动除冰相结合进一步提高表面防冰性能。通过设计刷状聚合物,开发键连低表面能链段的新方法,制备具有类似SLIPS表面液体性质的长效稳定防冰涂层;设计合成改性疏水剂,调控固化条件使其在基体中形成囊泡结构,提高类液体表面的模量与透光性;通过调控树脂基体的微纳/多孔结构,使得低温环境下水滴在超疏水表面仍可保持Cassie状态;设计具有内部多孔结构和“类皮肤”保护层的SLIPS薄膜,增强润滑剂储存能力,从而提高SLIPS薄膜的耐久性;通过设计具有高效太阳能利用效率的光热单元,在被动防冰因恶劣环境失效的特殊情况,结合光热主动除冰实现表面冰的融化去除。本论文将主动除冰与被动防冰相结合,拓宽了防冰材料的应用场景。主要研究内容和成果如下: (1)针对低表面能涂层与基体附着力差的问题,制备具有优越力学性能、自清洁和防冰性能的刷状热塑性聚氨酯涂层。首先,通过硫代内酯、二胺化合物和乙烯基单封端聚二甲基硅氧烷(PDMS)的多组分一锅开环点击反应,合成带有酰胺基团和柔性PDMS长链的二元醇(Am TLa-PDMS),并通过与异氰酸酯和二元醇主链反应高效率地制备PDMS改性聚氨酯涂层(TPU-PDMS)。研究了不同添加量的Am TLa-PDMS对TPU-PDMS的力学性能、热稳定性、润湿性、自清洁和防冰性能的影响。研究发现,添加适量Am TLa-PDMS有利于TPU-PDMS相分离的发生,使得涂层可既表现出氢键作用带来的高机械强度和与基材高附着力的优点,还具有类液体的低表面能特性。结果表明,TPU-PDMS拉伸强度最高可达48.62 MPa,且与多种基材的附着力等级均为0级。并且,TPU-PDMS还表现出优越的动态疏水性能,涂层表面的污染物易于被除去且不留下任何痕迹。在低温防冰测试中TPU-PDMS同样表现优越,过冷水结冰温度低至-27℃,延迟结冰时间约8 min,冰黏附强度15.4 k Pa。且经过多次摩擦循环后,涂层表面仍能够保持疏水防冰的性能。 (2)基于功能化HBPSi-PDMS疏水剂改性环氧,制备了一种集高模量、高透明和界面滑移特性于一体的环氧基防冰涂层。功能化HBPSi-PDMS由显著刚性和空间位阻的大分子单体超支化聚硅氧烷(HBPSi)和PDMS反应制得,其既可以作为大分子疏水添加剂,也可以与环氧基团反应提高涂层的机械性能和热稳定性。研究了功能化HBPSi-PDMS添加量、溶剂和树脂基固化剂对涂层模量、透光性和疏水防冰性能的影响。研究发现,固化溶剂体系的最佳选择为有机硅的良溶剂与不良溶剂共混,且良溶剂的沸点低于不良溶剂的沸点,这有利于功能化HBPSi-PDMS形成长链PDMS聚集在中心而带有可反应性胺基官能团的HBPSi环绕在四周的囊泡结构。结果表明,EP-PDMS涂层具有高的杨氏模量(约7.8 GPa)和透光性(可见光透过率高于90%)。相较于未改性的环氧涂层而言,EP-PDMS涂层还具有优越的疏水性、防污性和防冰性。EP-PDMS涂层的水滚动角低至10°以下,且表现出优越的动态疏水性。此外,EP-PDMS涂层具有较低的冰成核温度(约-26.3℃),较未改性的环氧涂层低了近一倍左右;同时延迟结冰时间较未改性的环氧树脂延长7倍;冰黏附强度低至25 k Pa。 (3)构筑具有光热效应的多级微纳/多孔超疏水薄膜,该薄膜兼具主动和被动防/除冰性能。研究了光热单元疏水改性氧化石墨烯(GOF)对PVDF延迟相转化过程的影响机制,并探索了该超疏水光热防冰涂层的被动防冰和主动除冰机制。研究发现,PVDF经延迟相转化法制备疏水性薄膜的过程中,GOF的添加不仅赋予其光热效应,并且对PVDF的结晶和相分离过程有一定的诱导作用,促进了多级微纳/多孔结构的形成。PVDF+GOF(10%)的静态水接触角约为154°,超疏水表面赋予了该薄膜优异的防冰性能,PVDF+GOF(10%)的延迟结冰时间为213 s,是未处理载玻片表面的14倍。此外,内壁上的多孔结构和褶皱为入射光线提供了更多的捕获位点和更长的路径,入射光线在孔道结构中可经过多次反射,有效地提高了太阳能-热能转换效率。结果表明,PVDF+GOF薄膜具有优越的光热性能,在1个太阳光照条件下,薄膜在3 min内可从20℃升温到72℃,低温下也可从-10℃升温到11℃。这一超疏水光热涂层解决了超疏水表面存在的制备过程复杂和结冰后冰层将迅速增厚等缺点,通过光热主动除冰与超疏水被动防冰相结合的方法提高超疏水涂层的防冰性能。 (4)首先选用硅橡胶为聚合物基体,聚二甲基硅氧烷为溶胀剂,结合设计的高效光热单元HBPP,制备了一种具有“类皮肤”保护结构的SLIPS+HBPP光热薄膜。研究了水/PDMS乳液铸膜过程中,水的含量对有机硅基体中空腔结构的影响。研究发现,乳液体系中水含量的增加致使有机硅薄膜的拉伸强度和断裂伸长率都有一定程度的降低,而适量水的添加可增加薄膜储油量同时延缓润滑剂损失速度。综合力学性能和储油量考虑,当选择内相比为20%时,注入硅油的多孔有机硅薄膜综合性能最佳。具有“类皮肤”保护结构的SLIPS薄膜可以很有效的延长结冰时间(相对于载玻片结冰时间延长9-10倍),有效地降低冰黏附力(冰黏附力低于20 k Pa)。另外,在形成水/PDMS乳液时采用一步法引入光热单元HBPP,解决了其分散问题,制备了均匀的多孔PDMS光热膜。光热单元的引入使得SLIPS薄膜具有优越的光热性能,在常温下500 s内温度升至64.7℃;随着光照强度的增加(调整太阳光强度从0.5个至1.5个太阳光强),薄膜的平衡温度升高,同时缩短了薄膜到达平衡温度所需要的时间。低温(-15℃左右)模拟太阳光照射下,SLIPS表面冻结的冰由桃尖状的不透明冰滴重新融化变为透明水滴。

摘要译文

关键词：

有机硅; SLIPS; 超疏水; 防冰; 光热

学位年度：

2022

学位类型：

博士

学科专业：

化学

导师：

张秋禹

中图分类号：

TB306;TB30[一般性问题⊗]

学科分类号：

080501[材料学];080509[能源材料];083104[生物材料与组织工程]

D O I：

10.27406/d.cnki.gxbgu.2022.000387