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。

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。

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。

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。