基于低表面能二氧化硅超疏水表面的制备及其防结冰性能研究
发布时间：2021-10-27 13:57
冰在固体表面的附着和堆积会导致交通中断、通信破坏、电力损失和航空、电信、电力、交通等相关设备的损坏。因此,设计和构建具有防结冰性能的表面具有非常重要的意义。大量研究表明,超疏水表面由于其独特的微纳米结构可以截留空气层,进而降低液滴与表面的有效接触面积,因而成为抑制冰的形成、减少冰的积累的最有效的策略之一。但是,超疏水表面通常都表现出较差的稳定性,在外力作用下,超疏水表面的结构会受到严重破坏而使其疏水性下降,进而影响其防结冰性。另外,由于超疏水表面在增强超疏水性和抑制冰核的生长之间仍然存在矛盾,因此,难以制备出在超低温（<-30.0℃）下具有防结冰性能的超疏水表面。针对上述问题,本文基于低表面能SiO2纳米颗粒制备出具有不同微纳米结构和低表面能的超疏水表面,相对于传统超疏水表面,不仅拥有较好的疏水性和结构稳定性,而且具有优异的防结冰性能。具体研究结果和创新如下:（1）通过微乳液法制备出具有不同粒径（300.0 nm、450.0 nm和600.0 nm）的低表面能花状SiO2颗粒,并探索了粒径与超疏水、防结冰性能之间的关系。研究结果显示,花...
【文章来源】：中北大学山西省
【文章页数】：97 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
具有超疏水性的自然生物
直砻娴娜笫?阅芙喜睿坏本蔡?哟ソ谴笥?50°时，被认定为超疏水表面，这种表面基本不存在液体润湿现象[19,20]。然而，真实的固体表面总是有一定的粗糙度和不均一性，因而实测的接触角与杨氏方程计算的接触角差异较大，在这种情况下Young’s方程不再适用。因此，还必须要考虑表面粗糙度的影响。（2）Wenzel模型和Cassie-Baxter模型Wenzel[21,22]首先研究了固体表面的粗糙度与其润湿性能的关系，提出了一个粗糙的、化学均匀（非复合）表面的模型。在该模型中当液滴与固体表面接触时，液滴始终填满粗糙表面上的缝隙（如图1-3（a）），从而使液滴像被粘在表面上一样难以滚落。该模型中通过引入表面粗糙因子r（r=固-液界面的实际接触面积/固-液界面的表观接触面积），说明了在粗糙表面上表观接触角（θ*）和光滑表面上杨氏接触角（θ）的关系：（式1-2）上式即为Wenzel方程。根据Wenzel方程，考虑到表面的先验性质，产生粗糙度会同时增加疏水性和亲水性。因此，如果表面的接触角>90°，粗糙度可提高疏水性，而如果接触角<90°，则亲水性会增强[23]。图1-3润湿模型示意图（a）Wenzel模型，（b）Cassie-Baxter模型Figure1-3Schematicillustrationofwettingmodels(a)Wendelmodel,(b)Cassie-Baxtermodelcosθ*=rcosθθγγγcosLVSLSVSLγSVγLVγ(b)(a)
中北大学学位论文8研究发现，这种粗糙的结构不仅可以有效地提高表面的超疏水性，而且在一定条件下还可以产生一定的防结冰性能[44]。防结冰是一个复杂的现象，需要多学科的研究方法。广义上讲，可以从三个方面来研究该问题。首先，具有粗糙结构的超疏水表面可以将空气截留在表面纹理中，从而使表面的液滴处于非润湿的Cassie-Baxter状态[45-47]。归因于被截留的空气，液滴与固体表面之间的相互作用被最小化，并且当表面稍微倾斜时水滴极易从表面滑落[48]。在实际情况下，如果水滴能够在冻结之前从表面滚落，则在表面上不会形成冰。Quéré等[49]首先证明了超疏水表面在防结冰方面实用价值，当表面存在倾斜角度时，超疏水表面液滴能够在零度以下还可以通过重力作用从表面滚落。Wang等[50]设计了一种由PDMS微乳头和ZnO纳米线组成的具有分层结构的超疏水表面，观察到即使在-20℃的低温和90%的相对湿度下，液滴在撞击表面及弯曲表面后仍能立刻反弹，如图1-5所示。图1-5（a-d）超疏水表面的SEM图像；（e-f）超疏水表面上的液滴运动过程Figure1-5(a-d)SEMimagesofsuperhydrophobicsurface;(e-f)thedropletmovementprocessonsuperhydrophobicsurface其次，超疏水表面结构中存在的大量的空气能够成为防止液滴结冰的良好的隔热层，从而延缓了液滴达到成核温度的时间。同时，这些“气穴”的存在同样可以起到减少冰晶非均匀形核的几率[51]。Wang[44]等人研究了液滴在不同结构表面上的结冰情况，
【参考文献】：
期刊论文
[1]输电线路机械除冰作业过程中抑制脱冰跳跃方法的研究[J]. 姬昆鹏,刘晨,芮晓明,李林,周超. 华北电力大学学报(自然科学版). 2015(04)
硕士论文
[1]超疏水表面的制备及其防冰性能研究[D]. 肖俊.国防科学技术大学 2015
本文编号：3461744
【文章来源】：中北大学山西省
【文章页数】：97 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
具有超疏水性的自然生物
直砻娴娜笫?阅芙喜睿坏本蔡?哟ソ谴笥?50°时，被认定为超疏水表面，这种表面基本不存在液体润湿现象[19,20]。然而，真实的固体表面总是有一定的粗糙度和不均一性，因而实测的接触角与杨氏方程计算的接触角差异较大，在这种情况下Young’s方程不再适用。因此，还必须要考虑表面粗糙度的影响。（2）Wenzel模型和Cassie-Baxter模型Wenzel[21,22]首先研究了固体表面的粗糙度与其润湿性能的关系，提出了一个粗糙的、化学均匀（非复合）表面的模型。在该模型中当液滴与固体表面接触时，液滴始终填满粗糙表面上的缝隙（如图1-3（a）），从而使液滴像被粘在表面上一样难以滚落。该模型中通过引入表面粗糙因子r（r=固-液界面的实际接触面积/固-液界面的表观接触面积），说明了在粗糙表面上表观接触角（θ*）和光滑表面上杨氏接触角（θ）的关系：（式1-2）上式即为Wenzel方程。根据Wenzel方程，考虑到表面的先验性质，产生粗糙度会同时增加疏水性和亲水性。因此，如果表面的接触角>90°，粗糙度可提高疏水性，而如果接触角<90°，则亲水性会增强[23]。图1-3润湿模型示意图（a）Wenzel模型，（b）Cassie-Baxter模型Figure1-3Schematicillustrationofwettingmodels(a)Wendelmodel,(b)Cassie-Baxtermodelcosθ*=rcosθθγγγcosLVSLSVSLγSVγLVγ(b)(a)
中北大学学位论文8研究发现，这种粗糙的结构不仅可以有效地提高表面的超疏水性，而且在一定条件下还可以产生一定的防结冰性能[44]。防结冰是一个复杂的现象，需要多学科的研究方法。广义上讲，可以从三个方面来研究该问题。首先，具有粗糙结构的超疏水表面可以将空气截留在表面纹理中，从而使表面的液滴处于非润湿的Cassie-Baxter状态[45-47]。归因于被截留的空气，液滴与固体表面之间的相互作用被最小化，并且当表面稍微倾斜时水滴极易从表面滑落[48]。在实际情况下，如果水滴能够在冻结之前从表面滚落，则在表面上不会形成冰。Quéré等[49]首先证明了超疏水表面在防结冰方面实用价值，当表面存在倾斜角度时，超疏水表面液滴能够在零度以下还可以通过重力作用从表面滚落。Wang等[50]设计了一种由PDMS微乳头和ZnO纳米线组成的具有分层结构的超疏水表面，观察到即使在-20℃的低温和90%的相对湿度下，液滴在撞击表面及弯曲表面后仍能立刻反弹，如图1-5所示。图1-5（a-d）超疏水表面的SEM图像；（e-f）超疏水表面上的液滴运动过程Figure1-5(a-d)SEMimagesofsuperhydrophobicsurface;(e-f)thedropletmovementprocessonsuperhydrophobicsurface其次，超疏水表面结构中存在的大量的空气能够成为防止液滴结冰的良好的隔热层，从而延缓了液滴达到成核温度的时间。同时，这些“气穴”的存在同样可以起到减少冰晶非均匀形核的几率[51]。Wang[44]等人研究了液滴在不同结构表面上的结冰情况，
【参考文献】：
期刊论文
[1]输电线路机械除冰作业过程中抑制脱冰跳跃方法的研究[J]. 姬昆鹏,刘晨,芮晓明,李林,周超. 华北电力大学学报(自然科学版). 2015(04)
硕士论文
[1]超疏水表面的制备及其防冰性能研究[D]. 肖俊.国防科学技术大学 2015
本文编号：3461744
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