摘要
在人与自然作斗争的数千年来，结冰一直是困扰人们许久仍然难以解决的问题。在当代，由于在电力运输、航空航天、地面交通等领域都会受到结冰的影响，如何在寒冷恶劣环境中保持设备正常运转，减少安全事故发生成为新的热门研究课题。现阶段的防覆冰方法主要分为主动防冰和被动防冰。其中，主动防冰是施加化学溶剂、机械外力、动热能实现防冰，被动防冰是借助材料属性来达到延迟结冰目的。而超疏水表面因其疏水性的特性，可以减缓冰与底层的粘附，因此被认为是极具发展潜力和应用前景的防冰技术，近些年来得到科研者们的大量关注。目前，超疏水表面的制备方法有两种：一种是在表面能量较低的材料上进行粗加工，另一种是在粗糙的基质表面上进行低表面能的修饰。本文通过两步喷涂法制备了以微纳米颗粒和低表面能物质为材料的超疏水表面，通过实验测试了其疏水效果，表征了微观形貌，并以分子动力学模拟的方法研究疏水机理的形成原因，具体研究内容和主要结论如下： 1、采用两步喷涂法制备超疏水表面，首先利用3%质量分数的硬脂酸改性3g纳米Al2O3颗粒，经过干燥和研磨，获得了由硬脂酸（SA）改性的纳米氧化铝粒子。将1g改性后的纳米Al2O3颗粒加入无水乙醇中，制得改性纳米Al2O3颗粒悬浮液；将环氧树脂与固化剂以1：1比例喷涂于基底，在表面尚未完全凝固前，用喷枪将改性的纳米氧化铝悬浮液重新喷洒到基质上，在此基础上放置一段时间，待其挥发，即可得到超疏水表面。制得超疏水表面接触角为168.8°，滚动角为3°，且在六个月后经测试表面接触角为155.6°，仍具备良好的疏水性和耐久性。 2、通过以不同纳米TiO2颗粒添加量为条件开展实验，得出TiO2/SA超疏水表面的最佳制备方法为：将1g环氧树脂与固化剂以1:1的比例溶解分散于乙醇中，喷涂于载玻片基底且保证其未完全固化；其次将0.3g的纳米TiO2颗粒与3wt%的硬脂酸先后加入20ml乙醇中，充分反应后喷涂于未固化载玻片基底烘干0.5h。多组实验对比得出纳米TiO2颗粒的最佳用量为0.3g。对上述两种超疏水表面表征发现疏水性机理：硬脂酸以头部中的羧基与TiO2表面游离的羟基发生反应，以硬脂酸极长的碳链和尾部中的甲基、亚甲基使其具备疏水效果。 3、分析两种超疏水表面的延迟结冰性能，通过自制的延迟结冰试验台测得在环境温度为-10℃的工况下，普通玻璃表面的结冰时间为27s，而在Al2O3/SAamp;nbsp;涂层上的结冰所需时间为384s，于TiO2/SA涂层上的结冰时间为753s；当环境温度为-15℃时，普通玻璃表面于13s即结冰完成，Al2O3/SA涂层表面结冰时间为110s，TiO2/SA涂层表面结冰时间为225s，经实验验证两种超疏水表面具有良好的延迟结冰效果。 4、以分子动力学模拟方法对所制备的超疏水涂层展开研究，结果表明，硬脂酸改性后的氧化铝表面具有疏水性，并且在一定程度上受硬脂酸浓度的影响。硬脂酸是由其头部的羧基与氧化铝表面的羟基结合而被吸附到表面，并使其末端的烷基暴露，从而产生疏水性机理。结果表明，在疏水性表面，由于范德华力和静电场力的作用，导致团簇结构遭到破坏，而与硬脂酸分子膜接触的水分子团却基本保持团簇结构。分析模型的能量变化后发现SA分子可以降低体系中的界面相互作用能。
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