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(wèn)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(duì)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(duì)鋁結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重的冰積。疏冰性被認(rèn)為是通過(guò)保持基底表面盡可能無(wú)水和降低冰晶與基底之間的粘附力來(lái)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(guò)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(cè)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(cè)試(左)和靜態(tài)WCA(右):水(上)，0.1 M HCl(中)，0.1 M NaOH(下)

涂層的潤(rùn)濕性主要受兩個(gè)因素的影響:表面粗糙度和表面能，潤(rùn)濕性可以通過(guò)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(shuō)明了微納結(jié)構(gòu)和十六烷基三甲氧基硅烷對(duì)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(méi)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(shuō)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(cè)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.