抗结冰涂层研究进展

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摘 要 现有的除冰方法包括物理法、化学法等存在耗能大、效率低、污染环境的问题，因此新型的低表面能疏水涂层在抗结冰性能方面的研究近年来备受关注。本文详述了近期国内外各类抗结冰涂层的研究进展，并指出了目前抗结冰涂层存在的问题，展望了抗结冰涂层的发展趋势。

关键词 抗结冰；接触角；低表面能；疏水性；冻粘强度

中图分类号N34 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2013）100-0132-02

0引言

在交通运输、航空航天、电力通信等领域，设备表面结冰带来恨得危害和安全隐患。为了减少安全隐患，人们提出了许多防冰与除冰方法。目前国内外通常采用以下三种方法：物理法，如加热法、机械法；化学法，如喷洒盐水、涂抹防冰液等；被动防冰法，在基体表面构建抗结冰功能涂层。前两种方法因操作简便而使用广泛，但其存在工作强度大、效率低、环保性差等诸多问题，在使用中受到限制。被动防冰法成本低、耗能小，易于施工，是一种理想的防冰方法，具有极大的应用价值，因此抗结冰涂层的研究备受关注。

1涂层表面特性与抗结冰原理

冻粘是冰与材料表面的粘附，既可以是分子间的范德华力，也可以是化学键作用，还可以是界面上微观的机械连接作用。固体表面的状态，如表面的化学性质、粗糙度、温度等都将直接影响表面粘附界面的形成，从而影响冻粘强度。其中，表面的湿润性对冻粘的影响较大。

根据接触角θ大小，可以将材料表面分为疏水表面和亲水表面，疏水表面（θ>90°）冻结时水膜不连续，所形成的冰膜也就存在缺陷，易发生破坏。因此，疏水材料具有减粘防粘的作用。

涂层表面的粗糙度也是决定冻粘强度的重要因素之一。合适的微观结构和粗糙度，不仅可以提高表面的疏水性能，延迟冰晶的出现，而且可以吸留空气，造成冰与基体界面间的应力集中，降低冻粘强度。

2 抗结冰涂层国内外研究进展

根据抗结冰原理，目前对抗结冰涂层的研究主要集中在牺牲性涂层和疏水性涂层两类。

牺牲性涂层的表面能够释放出抗结冰剂或油脂类物质，降低冰的冻粘强度，因此牺牲性涂层具有良好的抗结冰效果。2007年，Ayres等[1]通过溶胶-凝胶法制备了有机-无机杂化钛基先驱体，并与环氧基聚合物复合得到抗结冰缓释涂层，涂层经水解可释放出抗结冰剂。实验表明，这种涂层能够通过抑制冰的成核和粘附，达到良好的抗结冰效果。2012年，黄硕[2]分别通过溶胶-凝胶法和电解法制备了钛、铝、铁的有机金属化合物，与PRTV硅橡胶涂料混合制备了融冰型防覆冰复合涂料，并详细研究了涂料的融冰机理。牺牲性涂层需要通过化学反应释放抗结冰物质，有效期较短，并且所释放的抗结冰物质会对环境造成损害，因此其应用受到限制。

疏水涂层主要是含硅、含氟的聚合物，这两类聚合物具有较低的表面能，能够降低冰的冻粘强度。

2007年，Hoover等研制开发了一种有机硅抗结冰涂层，其对冰的附着力非常低，冰剪切强度仅为19-50Kpa，并且经过刮擦、热/湿老化、盐雾试验后，仍然能够保持优异的抗结冰性能。Yu等[4]用嵌段和接枝的方法分别制备了不同分子量PDMS与聚丙烯酸酯的共聚物PC-b-PDMS和PC-g-PDMS，详细研究了涂层表面结构与冰的冻粘强度之间的关系。实验结果表明，由于涂层表面微相分离的存在，使得这两系类共聚物与冰的冻粘强度明低于聚氨酯材料，尤其是PC-b-PDMS和含有长侧链的PC-g-PDMS表现更为明显。

2010年，Jafari等等在具有微纳米结构的三氧二化铝表面构建了一种聚四氟乙烯的抗结冰涂层。涂层表面的接触角可以达到165°，具有很强的疏水性。X射线光电子能谱（XPS）结果表明，涂层表面含有大量的-CF3和-CF2，极大地降低了涂层表面的自由能，使冰在聚四氟乙烯表面的附着力低于铝基材表面3.5 倍。

Yang等利用烧结、旋涂等方法制备了聚四氟乙烯、含氟聚氨酯、氟硅橡胶几种含氟疏水涂层，并研究了各种涂层的抗结冰疏冰性能。通过研究其冰剪切强度和覆冰量，结果表明：-8℃下，光滑的含氟聚合物表面能够显著降低冰在材料表面的附着力，但是不能明显降低覆冰量；经过喷砂处理的具有粗糙结构的含氟聚合物表面能够减少覆冰量，但却因为接触角随温度下降而变小，导致了冰附着力增加。

Wang等[7]使用全氟聚氧烷基碳酸氮素衍生物涂敷在铜表面，成功得到了厚度10nm的纳米氟碳膜涂层。通过研究结冰过程发现，涂层表面高的接触角和低的后退角不仅可以有效延迟结冰时间，而且增加了整个结冰过程的时间。

目前，对抗结冰涂层的研究仍然存在一些难题：抗结冰涂层研究的测试方法和测试手段有限，主要包括冰的冻粘强度和覆冰量，但是没有统一的标准，导致材料之间的抗结冰性能测试结果之间没有可比性；材料的抗结冰性能与其表面微观结构有关，随着使用次数增多，涂层表面容易被破坏，导致抗结冰性下降，不能满足长期使用的需求；在抗结冰机理方面，仍然未能建立表面化学组成、微观结构与抗结冰性之间的确切关系，需要进一步研究。

3 结论

尽管目前抗结冰涂层的研究已经取得了相当大的进展，但是相关的研究也不容忽视，如涂层与基材间的附着力、涂层的施工工艺、抗结冰性的长效性等方面仍然存在一些亟待解决的问题。我们相信，随着科技的不断进步，研究方法的不断增多，抗结冰涂层的性能可以得到进一步完善，其应用范围将不断扩大并发挥更大的作用。

参考文献

[1]Ayres J，etc.Characterization of titanium alkoxide sol-gel systems designed for anti-icing coatings： II.Mass loss kinetics.J.Coat.Technol.Res.， 2007，4： 473-481.

[2]黄硕.融冰型防覆冰涂料的研究，武汉理工大学硕士论文，2012.

[3]Hoover K L，etc.Erosion resistant anti-icing coatings.US20070254170，2007

[4]Yu D.M.，etc.Preparation and evaluation of hydrophobic surfaces of polyacrylate-polydimethylsiloxane copolymers for anti-icing，Prog. Org.Coat.2013

[5]Jafari R.，etc.Superhydrophobic and icephobic surfaces prepared by RF-sputtered polytetrafluoroethylene coatings. Applied Surface Science 2010， 257： 1540-1543

[6]Yang S.Q.，etc.Research on the icephobic properties of fluoropolymer-based materials. Appl. Surf.Sci.2011，257，4956-4962.

[7]Wang H.，etc.Effects of nano-fluorocarbon coating on icing.Appl.Sur.Sci.2012，258：7219-7224.