鋁表面超疏水涂層的疏冰性研究

在低溫條件下，室外設(shè)備的凍結(jié)已經(jīng)成為一個(gè)嚴(yán)重的問題。特別是電路線、道路、飛機(jī)機(jī)翼、風(fēng)力渦輪機(jī)等基礎(chǔ)設(shè)施部件結(jié)冰對經(jīng)濟(jì)和生命安全造成了嚴(yán)重影響。

鋁(Al)及其合金具有重量輕、穩(wěn)定性好、韌性高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域。然而，酸雨會(huì)腐蝕金屬基底，冰雨會(huì)對鋁結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重的冰積。疏冰性被認(rèn)為是通過保持基底表面盡可能無水和降低冰晶與基底之間的粘附力來延緩或減少冰在表面的積累。超疏水(SHP)表面由于其拒水和自清潔特性而具有疏冰性。

Tan等通過水熱反應(yīng)在Al表面形成機(jī)械堅(jiān)固的微納結(jié)構(gòu)，然后用十六烷基三甲氧基硅烷修飾形成SHP表面。其中水接觸角(WCA)和滑動(dòng)角(SA)采用光學(xué)接觸角儀進(jìn)行測量，水滴為10µL。該SHP表面在酸性和堿性環(huán)境中都表現(xiàn)出令人印象深刻的疏水性，并表現(xiàn)出顯著的自清潔和疏冰性能。

圖1. (a)裸鋁、(b)鋁表面微納和(c)十六烷基三甲氧基硅烷改性SiO2微納表面的WCA值。(d)不同酸堿溶液在SHP表面靜置1min后的靜態(tài)接觸角。(e)在SHP表面靜置30min后的水滴(紅色1.0，透明7.0，黑色14.0，附有pH試紙)圖片。(f)在不同溶液中浸泡30min后的耐酸堿性測試(左)和靜態(tài)WCA(右):水(上)，0.1 M HCl(中)，0.1 M NaOH(下)

涂層的潤濕性主要受兩個(gè)因素的影響:表面粗糙度和表面能，潤濕性可以通過靜態(tài)WCA可視化。裸鋁(圖1(a))、具有微納米SiO2表面的氧化鋁(圖1(b))和SHP表面(圖1(c))的WCA值分別為87°、134°和158°。WCA值的顯著變化說明了微納結(jié)構(gòu)和十六烷基三甲氧基硅烷對SHP表面的重要性。

同時(shí)，SHP表面的SA值小于5°。SHP表面也采用不銹鋼和合金材料(Supplementary Movie 1)。根據(jù)Nakajima等人的報(bào)道，大的WCA和低的SA預(yù)計(jì)會(huì)導(dǎo)致液滴從表面滾落。

圖1(d)為pH 1.0 ~ 14.0溶液在SHP表面的靜態(tài)WCA: WCA在148°~ 158°之間，當(dāng)pH值接近7.0時(shí)，WCA值較大。圖1(e)為SHP表面水滴形狀(體積約60 μL, pH 1.0 ~ 14.0)。30分鐘后形狀沒有變化。這顯示出良好的耐酸性或堿性溶液。圖1(f)進(jìn)一步說明了SHP涂層的耐酸堿性能。左圖為實(shí)驗(yàn)方法，右圖為水(154°)、0.10 M HCl(142°)、0.10 M NaOH(143°)浸泡30 min后的WCA。這些結(jié)果表明，SHP涂層在各種酸性/堿性環(huán)境下都具有良好的性能。

圖2. 裸鋁和SHP Al的WCA和SA

在結(jié)冰狀態(tài)下，進(jìn)一步測量5次重復(fù)實(shí)驗(yàn)的WCA和SA，結(jié)果如圖2所示。SHP表面的WCA約為154°，SA小于8°，而裸露Al表面的WCA約為85°，SA大于10°。因此，在SHP鋁表面獲得了良好的疏冰性。

參考文獻(xiàn)：

[1] Tan, X., Wang, M., Tu, Y., Xiao, T., Alzuabi, S., Xiang, P., Chen, X., Icephobicity studies of superhydrophobic coating on aluminium[J]. Surface Engineering, 2020, 37(10), 1239–1245.