Science丨除冰型涂料的机理探索及研究

2019-08-05 00:58:46 changyuan 51
 Science丨除冰型涂料的机理探索及研究
2019-08-05 09:51:27 作者:本网整理来源:

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除冰涂层材料

 

分析材料性能,需要比较相关参数。对于涂料来说,其衡量参数分别是:力F;脱粘附面积A;冰粘附强度τice(τice = F/A)。一般来说,疏冰性(icephobic)材料的τice小于100 kPa,而钢铁、铝等结构材料τice大于1000 kPa,其表面粘附冰的能力很强。因此开发低界面韧性(low-interfacial toughness,LIT,即界面韧性Г < 1 J/m2)材料对于防止冰的吸附非常重要,希望这类涂料能够在大表面积结构上有优越的除冰性能。


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图1.冰层粘附长度和断裂方式的关系  

 

他们首先构建了一个简单分析模型。在这个模型中,冰附着界面宽度不变,长度可变。他们发现:当界面长度小时,控制冰层分离的剪切强度(shear strength)与冰粘附强度τice相等,这种情况下,冰层受力后,整个界面同时发生断裂并脱落;相反,当界面长度大时,控制冰层分离的是界面韧性Г,此时冰层受力后呈界面裂纹传播式脱落(如图1所示)。分析显示:在两种冰层脱落模式中切换的关键,是存在一个临界粘附长度LC。他们推测,如果冰层粘附界面足够长,去除冰层所必需的力(定义为“除冰力”)会逐渐达到一个极限值,界面使用未修饰的普通塑料材料如聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯就可以实现这一点。实验也证实,界面单位宽度中除冰力是粘附长度的函数,当界面长度L值较小时,除冰力相对于L成正比例增长,但是当L大于临界粘附长度LC时,除冰力不再增加,并达到一个极限值。而这个除冰力极限值,就可以用来确定界面韧性Г——这个低界面韧性材料的重要性质参数。


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图2.通过控制厚度和塑化程度来控制界面任性韧性

 

作者同时发现通过最小化涂层厚度t,可以减小界面韧性。为了验证这一观点,他们选择聚氯乙烯材料进行试验,证实其界面韧性Г值的确随着材料厚度的减小而减小。为进一步减小Г值,他们测试了含有中链甘油三酯油(MCT)的塑化PVC材料,结果显示界面韧性Г值随着塑化程度增高而减小。通过优化PVC材料的厚度和塑化程度,他们得到Г值只有0.27 J/m2的低界面韧性PVC(LIT PVC)材料。他们用同样的优化方式,得到了低界面韧性聚苯乙烯(LIT polystyrene)和低界面韧性PDMS(LIT PDMS)材料,Г值分别约为0.43 J/m2和0.12 J/m2。他们选取长度达1 m(超过LC)的LIT PVC和LIT PDMS,厚度1-2 μm,在-10 ℃下测试显示,除冰力在L > LC后始终没有变化。


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图3.LIT涂层的大范围除冰试验  

 

综上所述在给定涂层厚度下存在着一个界面长度,超过这一长度时,LIT材料的除冰能力强于普通疏冰材料。该团队模仿电缆结冰情况,就是用三根1.2 m长、一面结冰的铝条从两端弯曲,观察多大弧度时冰层脱落。一根铝条表面没有任何涂层,一根铝条事先表面涂覆传统疏冰材料(硅树脂B),第三根则涂覆LIT材料(硅树脂B + 40 wt%硅油)。结果显示第三根涂覆LIT材料的铝条冰层轻易脱落,而前两根即使弯曲弧度很大冰层也难有脱落(图3A)。他们用约1 m × 1 m的铝板分别不涂和涂布LIT PDMS材料,在-7 ℃放在户外过夜结冰,冰层厚度达到1 cm,相对于没有涂层的铝板表面,冰层在LIT PDMS涂层上能够完全依靠自身重力脱落。




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