Science丨除冰型涂料的機理探索及研究
除(chu)冰(bing)涂層材料
分(fen)(fen)析材(cai)料(liao)(liao)性能，需要比較相(xiang)關參數。對于(yu)涂料(liao)(liao)來說，其衡量(liang)參數分(fen)(fen)別是：力F；脫粘(zhan)附(fu)面(mian)積A；冰(bing)粘(zhan)附(fu)強度τice（τice = F/A）。一般來說，疏(shu)冰(bing)性（icephobic）材(cai)料(liao)(liao)的(de)τice小于(yu)100 kPa，而鋼鐵、鋁等(deng)結構(gou)材(cai)料(liao)(liao)τice大于(yu)1000 kPa，其表(biao)(biao)面(mian)粘(zhan)附(fu)冰(bing)的(de)能力很(hen)強。因此(ci)開發低界面(mian)韌性（low-interfacial toughness，LIT，即界面(mian)韌性Г < 1 J/m2）材(cai)料(liao)(liao)對于(yu)防(fang)止冰(bing)的(de)吸(xi)附(fu)非(fei)常重要，希望這類涂料(liao)(liao)能夠在(zai)大表(biao)(biao)面(mian)積結構(gou)上有優(you)越的(de)除冰(bing)性能。
圖1.冰層粘(zhan)附長度和斷(duan)裂方(fang)式(shi)的關系(xi)
他們首先構建了一(yi)個(ge)(ge)簡單(dan)分(fen)析(xi)模型(xing)。在這個(ge)(ge)模型(xing)中(zhong)，冰(bing)(bing)(bing)附(fu)著(zhu)界面(mian)(mian)寬度(du)(du)(du)不變，長(chang)度(du)(du)(du)可(ke)變。他們發現：當(dang)(dang)界面(mian)(mian)長(chang)度(du)(du)(du)小時(shi)(shi)，控(kong)(kong)制(zhi)冰(bing)(bing)(bing)層(ceng)(ceng)分(fen)離(li)的(de)(de)剪切強度(du)(du)(du)（shear strength）與冰(bing)(bing)(bing)粘(zhan)附(fu)強度(du)(du)(du)τice相等，這種情(qing)況(kuang)下(xia)，冰(bing)(bing)(bing)層(ceng)(ceng)受力(li)后，整個(ge)(ge)界面(mian)(mian)同時(shi)(shi)發生(sheng)斷裂并脫落；相反，當(dang)(dang)界面(mian)(mian)長(chang)度(du)(du)(du)大時(shi)(shi)，控(kong)(kong)制(zhi)冰(bing)(bing)(bing)層(ceng)(ceng)分(fen)離(li)的(de)(de)是界面(mian)(mian)韌(ren)(ren)性(xing)Г，此時(shi)(shi)冰(bing)(bing)(bing)層(ceng)(ceng)受力(li)后呈界面(mian)(mian)裂紋傳播(bo)式(shi)脫落（如圖1所示(shi)）。分(fen)析(xi)顯示(shi)：在兩種冰(bing)(bing)(bing)層(ceng)(ceng)脫落模式(shi)中(zhong)切換的(de)(de)關鍵，是存在一(yi)個(ge)(ge)臨界粘(zhan)附(fu)長(chang)度(du)(du)(du)LC。他們推測，如果冰(bing)(bing)(bing)層(ceng)(ceng)粘(zhan)附(fu)界面(mian)(mian)足夠長(chang)，去除冰(bing)(bing)(bing)層(ceng)(ceng)所必需的(de)(de)力(li)（定(ding)義為“除冰(bing)(bing)(bing)力(li)”）會逐(zhu)漸達到一(yi)個(ge)(ge)極(ji)(ji)限(xian)值(zhi)，界面(mian)(mian)使(shi)用未修飾的(de)(de)普(pu)通(tong)塑料(liao)材(cai)料(liao)如聚(ju)乙烯、聚(ju)丙(bing)烯、聚(ju)苯乙烯就可(ke)以實(shi)現這一(yi)點。實(shi)驗也證實(shi)，界面(mian)(mian)單(dan)位寬度(du)(du)(du)中(zhong)除冰(bing)(bing)(bing)力(li)是粘(zhan)附(fu)長(chang)度(du)(du)(du)的(de)(de)函數，當(dang)(dang)界面(mian)(mian)長(chang)度(du)(du)(du)L值(zhi)較(jiao)小時(shi)(shi)，除冰(bing)(bing)(bing)力(li)相對于L成(cheng)正比(bi)例增長(chang)，但是當(dang)(dang)L大于臨界粘(zhan)附(fu)長(chang)度(du)(du)(du)LC時(shi)(shi)，除冰(bing)(bing)(bing)力(li)不再增加，并達到一(yi)個(ge)(ge)極(ji)(ji)限(xian)值(zhi)。而這個(ge)(ge)除冰(bing)(bing)(bing)力(li)極(ji)(ji)限(xian)值(zhi)，就可(ke)以用來確(que)定(ding)界面(mian)(mian)韌(ren)(ren)性(xing)Г——這個(ge)(ge)低(di)界面(mian)(mian)韌(ren)(ren)性(xing)材(cai)料(liao)的(de)(de)重(zhong)要(yao)性(xing)質參數。
圖2.通過控制厚(hou)度和塑化程度來(lai)控制界面任性(xing)(xing)韌性(xing)(xing)
作(zuo)者同時發現通過最小(xiao)(xiao)化(hua)涂層厚度(du)t，可以(yi)減(jian)小(xiao)(xiao)界(jie)面(mian)韌(ren)性。為(wei)了驗證這一觀點，他們(men)選(xuan)擇聚氯(lv)乙烯(xi)材(cai)(cai)料(liao)進行(xing)試(shi)驗，證實其界(jie)面(mian)韌(ren)性Г值(zhi)的(de)(de)(de)(de)確隨(sui)著材(cai)(cai)料(liao)厚度(du)的(de)(de)(de)(de)減(jian)小(xiao)(xiao)而減(jian)小(xiao)(xiao)。為(wei)進一步(bu)減(jian)小(xiao)(xiao)Г值(zhi)，他們(men)測(ce)試(shi)了含(han)有(you)(you)中鏈(lian)甘油(you)三酯油(you)（MCT）的(de)(de)(de)(de)塑化(hua)PVC材(cai)(cai)料(liao)，結果顯(xian)示界(jie)面(mian)韌(ren)性Г值(zhi)隨(sui)著塑化(hua)程(cheng)(cheng)度(du)增高而減(jian)小(xiao)(xiao)。通過優化(hua)PVC材(cai)(cai)料(liao)的(de)(de)(de)(de)厚度(du)和(he)塑化(hua)程(cheng)(cheng)度(du)，他們(men)得到Г值(zhi)只有(you)(you)0.27 J/m2的(de)(de)(de)(de)低(di)(di)界(jie)面(mian)韌(ren)性PVC（LIT PVC）材(cai)(cai)料(liao)。他們(men)用同樣(yang)的(de)(de)(de)(de)優化(hua)方式(shi)，得到了低(di)(di)界(jie)面(mian)韌(ren)性聚苯乙烯(xi)（LIT polystyrene）和(he)低(di)(di)界(jie)面(mian)韌(ren)性PDMS（LIT PDMS）材(cai)(cai)料(liao)，Г值(zhi)分別約為(wei)0.43 J/m2和(he)0.12 J/m2。他們(men)選(xuan)取長度(du)達1 m（超過LC）的(de)(de)(de)(de)LIT PVC和(he)LIT PDMS，厚度(du)1-2 μm，在-10 ℃下測(ce)試(shi)顯(xian)示，除(chu)冰力在L > LC后始終沒有(you)(you)變化(hua)。
圖3.LIT涂(tu)層的大范(fan)圍除冰試驗
綜上(shang)所述在給定涂(tu)(tu)層厚度(du)(du)下(xia)存在著一(yi)個界面(mian)(mian)(mian)長度(du)(du)，超過這一(yi)長度(du)(du)時(shi)，LIT材料的除冰(bing)能(neng)(neng)力(li)強于普通疏冰(bing)材料。該(gai)團隊模仿電(dian)纜結冰(bing)情況，就是用(yong)三(san)根1.2 m長、一(yi)面(mian)(mian)(mian)結冰(bing)的鋁條(tiao)從兩端彎曲，觀察(cha)多大弧度(du)(du)時(shi)冰(bing)層脫(tuo)(tuo)(tuo)落。一(yi)根鋁條(tiao)表面(mian)(mian)(mian)沒有(you)(you)任何涂(tu)(tu)層，一(yi)根鋁條(tiao)事先表面(mian)(mian)(mian)涂(tu)(tu)覆(fu)傳統疏冰(bing)材料（硅(gui)(gui)樹脂B），第三(san)根則(ze)涂(tu)(tu)覆(fu)LIT材料（硅(gui)(gui)樹脂B + 40 wt%硅(gui)(gui)油）。結果顯示(shi)第三(san)根涂(tu)(tu)覆(fu)LIT材料的鋁條(tiao)冰(bing)層輕易脫(tuo)(tuo)(tuo)落，而前兩根即使彎曲弧度(du)(du)很大冰(bing)層也難有(you)(you)脫(tuo)(tuo)(tuo)落（圖3A）。他們(men)用(yong)約1 m × 1 m的鋁板分別不(bu)涂(tu)(tu)和涂(tu)(tu)布LIT PDMS材料，在-7 ℃放在戶外過夜結冰(bing)，冰(bing)層厚度(du)(du)達到1 cm，相對于沒有(you)(you)涂(tu)(tu)層的鋁板表面(mian)(mian)(mian)，冰(bing)層在LIT PDMS涂(tu)(tu)層上(shang)能(neng)(neng)夠完全依(yi)靠(kao)自身重力(li)脫(tuo)(tuo)(tuo)落。
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