基于POSS和MOF纳米粒子的防冰表面设计及性能研究

发布时间：2020-08-22 19:41

【摘要】：结冰是自然界的正常现象之一,水的结冰在运动、饮食和娱乐等方面给了人们很多的享受。但是在航空运输、电力输送、热交换器、地面交通等方面,结冰往往会造成巨大的经济损失,甚至直接危害到人们的生命安全。在已经充分认识水结冰机制的基础上,如何影响甚至调控结冰的进程,降低甚至消除结冰的危害是人们广泛关注的一大热点问题。鉴于传统除冰防冰技术在能耗和环境保护方面的弊端,发展有效的新型防冰技术是学术界关注的一大研究热点。超疏水表面和润滑液体浸润多孔表面(SLIPS)是目前防冰技术领域被认为使用效果最好,最具应用前景的两大方向。本论文从纳米尺寸的多面体聚硅倍半氧烷(POSS)和金属-有机框架(MOF)材料出发,分别通过喷涂POSS溶液和硅油浸泡MOF接枝聚丙烯无纺布的手段,从超疏水和SLIPS两大方向构筑了包括POSS-PDMS、POSS-环氧树脂、PVA-POSS、无纺布-MOF-硅油在内的多个防冰表面。首先利用扫描电子显微镜(SEM)对表面的形貌结构进行了表征,然后利用形貌分析仪、光学显微镜、冷台和自制冰粘附测试仪分别对浸润性、结冰温度、延缓结冰时间和冰粘附强度等防冰性能进行了表征。在此基础上,本论文对防冰表面构筑工艺、结构和性能三者之间的相互作用关系进行了分析,并得出如下结论:1.POSS分子从溶液中析出结晶时,可以通过分子自组装形成中空开口的微纳球状粒子。无论是直接喷涂八异丁基倍半硅氧烷(i8POSS)-PDMS混合溶液、i8POSS-E51混合溶液,还是在PVA表面喷涂i8POSS溶液,POSS分子的自组装均可诱导喷涂表面形成兼具微米和纳米尺寸特点的粗糙结构,并使表面达到或接近超疏水状态。2.变换溶液浓度和喷涂次数,能够诱导喷涂表面微纳粒子数量和间距的变化,并对微纳粒子组成的聚集态结构产生影响,进而实现对表面浸润性能和防冰性能的调控。其中i8POSS-PDMS表面具有最为优异的防冰性能,当i8POSS浓度为10%时,喷涂1次所形成的超疏水表面的水滴结冰温度低至-26.3°C,结冰时间可延缓至840s,冰粘附强度为85.7kPa。相较而言,i8POSS浓度5%的POSS-E51溶液喷涂形成的近乎超疏水的表面尽管在降低结冰温度方面的表现并不突出,但是其极低的滚动角和良好的机械性能使其在防冰方面也具备一定的研究和应用价值。PVA表面喷涂两次浓度10%的i8POSS溶液所形成高疏水表面水滴结冰温度为-22°C,延缓结冰时间达到1100s。3.POSS分子的化学结构对超疏水表面的构筑会产生非常明显的影响,与疏水的i8POSS相比,带有活性羟基并呈现两亲性的七异丁基倍半硅氧烷三硅醇(i7POSS)无论是与PDMS混合喷涂,还是单独涂覆于PVA之上都难以形成高度疏水的表面。尽管喷涂1次i7POSS浓度为2%的POSS-PDMS混合溶液所形成表面的结冰温度可低至-21°C,延缓结冰时间可达到5219s,但这种防冰效果更多是源自于i7POSS分子上的活性羟基对水的结晶过程的影响。PVA喷涂表面二次涂覆i7POSS溶液所形成的表面也表现出了相似的特点。4.喷涂表面的固化温度会对POSS分子的自组装过程以及涂层表面的形貌结构和防冰性能产生影响。含有i8POSS的喷涂表面在高温固化时无法获得中空开口的微纳球体粒子,而在室温条件下却可以。温度变化对POSS分子自组装过程产生影响的本质,可能是PDMS和E51配合树脂粘度随温度而变化所导致的。i8POSS与粘度更小的E51混合喷涂表面在室温固化时所形成中空开口球状粒子与i8POSS-PDMS体系相比,呈现明显的塌陷迹象,表面的疏水性也更差。这也从侧面证实了涂层材料粘度的变化可能是温度对表面结构产生影响的本质原因。5.除了POSS自组装形成的微纳结构外,配合树脂的化学结构也会对表面的防冰性能产生影响。与i8POSS-PDMS完全不同,i8POSS-E51和PVA-i8POSS表面在获得接近超疏水浸润性能的同时,水滴在表面的结冰温度反倒提高了,这可能与形核位点的增加有关。6.在原位生长UiO66-NH_2型MOF微纳粒子的无纺布上浸入硅油所形成的SLIPS的冷凝结冰温度达到-38.9°C,接近水的均相成核温度,而冰粘附强度更是低至3.1kPa,这种极其优异的防冰特性尚未见公开报道。该表面冷凝结冰温度的大幅降低除了与传统SLIPS相同的形核位点被覆盖和大幅减少有关外,理论计算结果表明异相形核所需的微纳粒子的尺寸减小所导致的结晶势垒增加也非常重要。100cst和100cst的最佳用量分别为0.02g/cm~2和0.05g/cm~2。7.本论文所采用的喷涂或硅油浸泡与传统的防冰表面构筑方法相比,无论是在工艺便捷性、制造成本还是放大生产方面均具有较为明显的优势,具备工业化应用的基础。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.1
【图文】：

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【参考文献】