过冷环境下超疏水防覆冰涂层的构建以及水汽凝结与结晶过程研究

Frost and ice formation in cold environments by condensation and freezing of droplets on surfaces can cause serious social harmfulness. Anti-icing performance of materials is closely related to the superhydrophobic properties of surface under high humidity and overcooled environment. Based on molecular design, the project manufacture a special superhydrophobic nanocomposite coating with multiscale macro-nano structure and covered with low surface energy groups. The preparation method for the superhydrophobic nanocomposite coating and condensation and freezing of water droplets on surfaces will be studed. The target nanocomposite materials will be prepared by chemical modification of nanoparticles and onsite surface grafting with fluorinated or silicon chains. And then the structure and surface physical and chemical properties of the nanocomposite coatings will be investigated in different humidity and temperature. The superhydrophobic properties and anti-icing performance under low temperature will be researched by mimic the natural environment. The condensation and freezing of droplets on surfaces with different nucleation mechanism will be determined. The quantitative influence of the surface composition and rough structure on the anti-icing and icephobic properties of materials with be established. The research work of this project should provide theoretical foundation for the development of novel materials with stable superhydrophobic and anti-icing performance.

过冷环境下水的凝结和结晶成核造成的表面覆冰会产生严重的危害，材料表面防覆冰作用与高湿过冷环境中的超疏水性能密切相关，本项目基于分子设计思想构筑可形成多尺度微纳复合结构和低表面能基团在表面富集的纳米复合涂层材料，并开展过冷环境中超疏水涂层的制备以及水在涂层表面的凝聚与结晶过程的研究。通过原位化学复合方法实现低表面能氟碳链段在功能无机纳米粒子表面的定向接枝，制备得到功能性纳米粒子接枝氟硅链段的复合涂层材料，研究不同温度和湿度条件下纳米复合涂层材料的表面物理化学性能，模拟自然环境考察涂层的低温超疏水防覆冰性能，探讨水滴在不同结构的超疏水表面冷凝与结晶现象以及成核机理，建立不同环境中材料表面抗结冰性能和疏冰性能与其表面粗糙结构，化学组成之间的定量关系，为稳定的超疏水防覆冰涂层的开发提供理论依据。

过冷环境下，水汽凝结和结晶成核引起的覆冰现象会对运输设备、输电线路以及风电叶片等造成严重破坏，并引起重大的经济损失。构建新型防覆冰涂层并研究过冷环境下水汽凝聚与结晶过程具有重要意义。基于分子设计思想，本项目通过化学改性、一步共混、溶胶-凝胶法等将功能纳米粒子引入涂层中构建了磁性超疏水涂层、含氟纳米杂合超润滑表面、多功能超疏水表面以及超亲水表面。系统研究了各种超浸润表面微观结构、表面物理化学性能以及防覆冰性能。考察杂合涂层表面化学组成、微相形貌与表面特殊浸润行为以及防覆冰性能的相互关系。揭示了高湿过冷环境下，纳米杂合涂层表面水汽凝结与结晶过程以及不同结晶成核过程中热传递现象与热力学机理。探究了磁性纳米粒子磁热、光热作用下的主动防覆冰作用，构建了具有持久稳定的防覆冰表面。磁性超疏水涂层延长结冰时间达2878 s，冰与表面的附着力可降至213.7 KPa。此外，涂层具有明显的热效应可达到快速热能除冰的目的。含氟纳米杂合超润滑表面结冰时间可延缓至3605 s，为普通玻片表面的156倍。通过对比实验发现，水滴在超浸润表面结冰时间延长，其中SHC和SFC上结冰时间是空白玻璃的20倍。对于FC表面，冰与表面粘附力增强；然而在SLIPS表面，附力降低至0.1N。此外，超浸润表面相对于普通表面都具有较好的防结雾性能，但相对超亲水表面，超疏水表面的延迟结冰时间更长，冰表面粘附力更小，具有更优异的防覆冰性能。该研究为稳定的超疏水防覆冰涂层的开发提供了理论依据。