【摘要】：結(jié)冰是自然界的正�，F(xiàn)象之一,水的結(jié)冰在運動、飲食和娛樂等方面給了人們很多的享受。但是在航空運輸、電力輸送、熱交換器、地面交通等方面,結(jié)冰往往會造成巨大的經(jīng)濟損失,甚至直接危害到人們的生命安全。在已經(jīng)充分認識水結(jié)冰機制的基礎上,如何影響甚至調(diào)控結(jié)冰的進程,降低甚至消除結(jié)冰的危害是人們廣泛關(guān)注的一大熱點問題。鑒于傳統(tǒng)除冰防冰技術(shù)在能耗和環(huán)境保護方面的弊端,發(fā)展有效的新型防冰技術(shù)是學術(shù)界關(guān)注的一大研究熱點。超疏水表面和潤滑液體浸潤多孔表面(SLIPS)是目前防冰技術(shù)領(lǐng)域被認為使用效果最好,最具應用前景的兩大方向。本論文從納米尺寸的多面體聚硅倍半氧烷(POSS)和金屬-有機框架(MOF)材料出發(fā),分別通過噴涂POSS溶液和硅油浸泡MOF接枝聚丙烯無紡布的手段,從超疏水和SLIPS兩大方向構(gòu)筑了包括POSS-PDMS、POSS-環(huán)氧樹脂、PVA-POSS、無紡布-MOF-硅油在內(nèi)的多個防冰表面。首先利用掃描電子顯微鏡(SEM)對表面的形貌結(jié)構(gòu)進行了表征,然后利用形貌分析儀、光學顯微鏡、冷臺和自制冰粘附測試儀分別對浸潤性、結(jié)冰溫度、延緩結(jié)冰時間和冰粘附強度等防冰性能進行了表征。在此基礎上,本論文對防冰表面構(gòu)筑工藝、結(jié)構(gòu)和性能三者之間的相互作用關(guān)系進行了分析,并得出如下結(jié)論:1.POSS分子從溶液中析出結(jié)晶時,可以通過分子自組裝形成中空開口的微納球狀粒子。無論是直接噴涂八異丁基倍半硅氧烷(i8POSS)-PDMS混合溶液、i8POSS-E51混合溶液,還是在PVA表面噴涂i8POSS溶液,POSS分子的自組裝均可誘導噴涂表面形成兼具微米和納米尺寸特點的粗糙結(jié)構(gòu),并使表面達到或接近超疏水狀態(tài)。2.變換溶液濃度和噴涂次數(shù),能夠誘導噴涂表面微納粒子數(shù)量和間距的變化,并對微納粒子組成的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響,進而實現(xiàn)對表面浸潤性能和防冰性能的調(diào)控。其中i8POSS-PDMS表面具有最為優(yōu)異的防冰性能,當i8POSS濃度為10%時,噴涂1次所形成的超疏水表面的水滴結(jié)冰溫度低至-26.3°C,結(jié)冰時間可延緩至840s,冰粘附強度為85.7kPa。相較而言,i8POSS濃度5%的POSS-E51溶液噴涂形成的近乎超疏水的表面盡管在降低結(jié)冰溫度方面的表現(xiàn)并不突出,但是其極低的滾動角和良好的機械性能使其在防冰方面也具備一定的研究和應用價值。PVA表面噴涂兩次濃度10%的i8POSS溶液所形成高疏水表面水滴結(jié)冰溫度為-22°C,延緩結(jié)冰時間達到1100s。3.POSS分子的化學結(jié)構(gòu)對超疏水表面的構(gòu)筑會產(chǎn)生非常明顯的影響,與疏水的i8POSS相比,帶有活性羥基并呈現(xiàn)兩親性的七異丁基倍半硅氧烷三硅醇(i7POSS)無論是與PDMS混合噴涂,還是單獨涂覆于PVA之上都難以形成高度疏水的表面。盡管噴涂1次i7POSS濃度為2%的POSS-PDMS混合溶液所形成表面的結(jié)冰溫度可低至-21°C,延緩結(jié)冰時間可達到5219s,但這種防冰效果更多是源自于i7POSS分子上的活性羥基對水的結(jié)晶過程的影響。PVA噴涂表面二次涂覆i7POSS溶液所形成的表面也表現(xiàn)出了相似的特點。4.噴涂表面的固化溫度會對POSS分子的自組裝過程以及涂層表面的形貌結(jié)構(gòu)和防冰性能產(chǎn)生影響。含有i8POSS的噴涂表面在高溫固化時無法獲得中空開口的微納球體粒子,而在室溫條件下卻可以。溫度變化對POSS分子自組裝過程產(chǎn)生影響的本質(zhì),可能是PDMS和E51配合樹脂粘度隨溫度而變化所導致的。i8POSS與粘度更小的E51混合噴涂表面在室溫固化時所形成中空開口球狀粒子與i8POSS-PDMS體系相比,呈現(xiàn)明顯的塌陷跡象,表面的疏水性也更差。這也從側(cè)面證實了涂層材料粘度的變化可能是溫度對表面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響的本質(zhì)原因。5.除了POSS自組裝形成的微納結(jié)構(gòu)外,配合樹脂的化學結(jié)構(gòu)也會對表面的防冰性能產(chǎn)生影響。與i8POSS-PDMS完全不同,i8POSS-E51和PVA-i8POSS表面在獲得接近超疏水浸潤性能的同時,水滴在表面的結(jié)冰溫度反倒提高了,這可能與形核位點的增加有關(guān)。6.在原位生長UiO66-NH_2型MOF微納粒子的無紡布上浸入硅油所形成的SLIPS的冷凝結(jié)冰溫度達到-38.9°C,接近水的均相成核溫度,而冰粘附強度更是低至3.1kPa,這種極其優(yōu)異的防冰特性尚未見公開報道。該表面冷凝結(jié)冰溫度的大幅降低除了與傳統(tǒng)SLIPS相同的形核位點被覆蓋和大幅減少有關(guān)外,理論計算結(jié)果表明異相形核所需的微納粒子的尺寸減小所導致的結(jié)晶勢壘增加也非常重要。100cst和100cst的最佳用量分別為0.02g/cm~2和0.05g/cm~2。7.本論文所采用的噴涂或硅油浸泡與傳統(tǒng)的防冰表面構(gòu)筑方法相比,無論是在工藝便捷性、制造成本還是放大生產(chǎn)方面均具有較為明顯的優(yōu)勢,具備工業(yè)化應用的基礎。
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TB383.1
【圖文】：

1 結(jié)冰所致的飛行事故：①沖鋒-8Q400 型客機墜機現(xiàn)場；②ATR-7機墜機現(xiàn)場；③機翼結(jié)冰；④發(fā)動機葉片結(jié)冰冰對于飛行安全的影響主要體現(xiàn)在三個方面：首先，會破壞飛機的。機翼和尾翼結(jié)冰，可使飛機的升力下降，阻力增加，續(xù)航性能變飛機抖動，使飛機操縱變得困難。研究表明，即使冰、雪、霜造成損害翼面，相當于中粒砂紙的冰粗糙度有時也可導致操縱品質(zhì)降低結(jié)冰還會使平飛最小速度增加，使平飛最大速度減小，即飛機平飛小。另外，結(jié)冰對起飛性能的影響（尤其是對小飛機）也是非常嚴災難性的。它可使飛機的起飛過程變得艱難，可能導致飛機離地后盡跑道都不能離地升空等現(xiàn)象。第二，降低動力裝置效率，甚至使障。當飛機處于空氣濕度較大的區(qū)域如霧、云或降水中，如果外部C，則會在發(fā)動機進氣口上出現(xiàn)積冰。這樣就會使進氣量減少，進氣，造成飛機動力損失，甚至發(fā)動機停車。還有更嚴重的情況，當飛

圖 1.2 結(jié)冰對電力運輸設施的破壞11月美國西海岸一條345kV線路，在史蒂漢斯山口發(fā)生絕復送電3~4min內(nèi)，覆冰絕緣子由微弱放電迅速發(fā)展成全面。1974年1月，美國田納西峽谷500kV 輸電線路懸垂絕緣閃絡。1998年，加拿大的凍雨事故使得包括735kV 線路

鐵路機車由于無法供電運行，京廣線鐵路運輸全面告急。該事故經(jīng)濟損失約為80億人民幣。地面交通運輸方面，結(jié)冰造成事故的原因比較簡單，基本是由于地輛失控或駕駛?cè)藛T操作失誤所致。而由此引發(fā)的事故也更為普遍的情況在全世界范圍內(nèi)幾乎每天都會發(fā)生（如圖 1.33 所示）。在我年被報道的結(jié)冰所致的特大交通事故就有數(shù)起。2009 年 11 月 1一輛號牌為吉 A7G239 的中型客車，乘載 7 人（核載 11 人），行至市境內(nèi)飲馬河大橋時，因路面濕滑，車輛失控墜河，造成 6 人死同日，上海浦東交通巴士長途有限公司一輛號牌為滬 AT7478 的大9 人（核載 49 人），行至貴州畢節(jié)境內(nèi)貴畢公路岔河一號橋處，因，車輛失控側(cè)翻下垂高 49 米的高坡，造成 9 人死亡，38 人不同程 2 月 8 日凌晨，常張高速常德境內(nèi)善卷垸路段，因凍雨致橋面、致發(fā)生 4 起道路交通事故，共造成 13 人死亡，4 人重傷，多人輕

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前7條

1 王浩;吳曉敏;唐黎明;戴萬田;王玉婷;金鳳友;;疏水性涂層的制備及防結(jié)霜性能[J];高分子材料科學與工程;2007年02期

2 王洪燕,張新華,劉中良,孟聲,馬重芳;自然對流下親水表面上抑霜的研究[J];工程熱物理學報;2005年04期

3 劉清江,劉中良,王洪燕,馬重芳;自然對流條件下疏水表面與普通金屬表面霜生長的對比研究[J];制冷與空調(diào);2004年03期

4 江雷;從自然到仿生的超疏水納米界面材料[J];化工進展;2003年12期

5 曲凱陽,江億;各種因素對過冷水發(fā)生結(jié)冰的影響[J];太陽能學報;2003年06期

6 李書宏,馮琳,李歡軍,翟錦,宋延林,江雷,朱道本;柱狀結(jié)構(gòu)陣列碳納米管膜的超疏水性研究[J];高等學�；瘜W學報;2003年02期

7 翟錦,李歡軍,李英順,李書宏,江雷;碳納米管陣列超雙疏性質(zhì)的發(fā)現(xiàn)[J];物理;2002年08期

本文編號：2801068