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防冰涂料的研究 第一部分

防冰涂料的研究 第一部分

时 间: 2020-04-28

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摘 要: 作者:AtulTiwari,博士,FRSC,FloraCoatings公司…

 

作者:Atul Tiwari, 博士, FRSC, Flora Coatings公司,亚利桑那州凤凰城

 

在降雪地区,积冰是各种行业的潜在危险,包括运输、飞机/航空航天、海洋、电力传输(地线、相导体和绝缘体)、电力生产(风力涡轮机、建筑物、配电、电信和农业)、汽车、户外运动设施、太阳能电池等。

 

由于寒冷气候地区的极端天气状况,在冬季开车时需要格外小心。冰瀑和积雪的堆积扰乱了日常活动,限制了道路交通。在寒冷的地区,如美国北部和加拿大,以及世界上其他寒冷的国家,正在进行大量的研究工作。1,2积冰会造成道路状况危险,造成道路运输停滞。为了保证正常的交通流量和更安全的流动性,需要采取道路除冰或防冰措施。

 

“除冰”一词指的是在冰暴发生后,冰被移除或清除。另一方面,防冰系统会在冰暴发生前启动,从而防止由于冰的重量和风力造成明显的过量冰沉积(静态或动态),特别是在电力线路上。除冰和防冰操作都要使用机械手段(如扫帚、刷子、犁)和化学制剂。为了清除道路上的冰雪,大量的固体和液体化学物质以及磨料(如沙子)被用于除冰或防冰,它们被统称为“除冰剂”。3

 

 

航空业也受到很大影响。飞机引擎熄火,它们的燃油效率和升力诊断性能大幅下降。在1998年至2007年期间,加拿大东部和俄克拉荷马州的冰风暴造成了灾难性的社会经济损失。在美国,1959年至1994年间,其他结冰事件导致140座通讯塔(40- 2000英尺高)倒塌。41993年至2004年间,冬季积冰共导致135架飞机坠毁,造成171人伤亡。5, 6

 

在气候寒冷的地区,附着在建筑物上的冰雪会造成许多问题。输电和配电设备上的积冰会引起机械故障或绝缘子闪络。停电阻碍了生活的正常化,导致严重的社会经济后果。农作物受损,电线倒塌,风力涡轮机和暖通空调系统受到严重影响。高压架空输电线路和导线上的冰雪积聚也会带来严重的问题。在此期间,甚至电力运输和电信网络也会中断。

 

在风力涡轮机发电的情况下,积冰会影响发电性能,并且会产生电气和机械故障。通常,约有20%的风力涡轮机位于冬季可能发生结冰的地方,在该地区建造风力涡轮机的原因是由于低温下空气密度的增强,风力发电量比标准地区高出10%。7, 8高海拔地区是安装风力涡轮机进行能源生产的最佳地点。在高海拔地区,前1000米的风速通常每100米增加0.1米/秒。7, 8 在瑞士,这些风力涡轮机安装在海拔约800米的地方,这些地方往往面临着难以置信的恶劣条件。8

 

为了实现高效的能源生产,需要有令人信服的方法来保证风力涡轮机不结冰。此外,Markus还研究了声称具有风力涡轮机防冰性能的各种涂层方法。8 这些方法包括亲水和疏水涂层、含氟化合物的溶胶-凝胶涂层、粘弹性橡胶,以及各种市售防冰产品。对不同涂层的防冰性能的研究和冰粘附力的测量通常采用0°圆锥实验来确定涂层和冰之间的冰粘附力。8 目前,传统的防冰和除冰方法被用于风力发电行业,该行业采用基于结冰的防冰方法。此外,当冰已经在风力涡轮机的转子叶片表面堆积时,也可采用除冰方法。7, 8

 

被动式方法,也被称为表面涂层法或永久性表面涂层法(也称作“防冰”涂层),对防止冰粘附很有用。防冰涂层可以保护暴露的表面,并显著降低或消除冰的粘附强度。被动保护方法不需要外部电源或能源,如加热等。它利用承继来的物理表面特性,如低水接触角和减少摩擦系数的优势,以其重量防止冰粘附。防冰涂料价格低廉、耐用,易于应用于各种表面。

 

冰和固体表面之间的低粘附强度定义了涂层材料的“防冰性”。9, 10值得一提的是,没有任何材料可以完全防止冰雪在表面的堆积。最常见的假设是,任何降低与水的化学亲和力的产品也应具有较弱的冰粘附强度。然而,这一理论并没有被研究人员完全接受。10- 14 Saito等人14的研究表明,基材表面粗糙度的增加会增加冰的粘附力。尽管无法避免雪/冰积聚在各种表面上,但在过去几十年中,在亲水、疏水和超疏水表面上,很少有人采取预防措施来减少冰的粘附。理想情况下,防止积冰而不是除冰是一个很好的解决方案,可以通过防冰涂层来实现。在实际应用中,防冰表面的结构和化学完整性必须能够承受侵蚀、磨损、紫外线辐射和其他风化条件。然而,对于商业上所采用的防冰材料,它们的设计表面必须具有成本效益,而且是环境友好和可批次制造生产的。7

 

本文概述了表面涂层或防冰涂层中用于防止基材积冰的材料,这篇文章的完整版本可以在网上找到,还包括用于除冰和防冰的盐和化学物质的作用,以及它们对受雪影响的行业信息等等。

 

防冰表面涂层和材料选择

关于冰的附着力测试的研究由来已久,可以追溯到20世纪30年代。国家航空咨询委员会(NACA) 的Langley研究中心在1930年的一个开式充覆冰静压风洞中进行了定性比较。15, 16 1940年以前,人们用各种试验方法来测量冰的粘附力。17第一种涂层材料包括油脂、油、可溶性化合物、油漆和其他几种材料。1918年初,Lewis在他的美国专利中提出一种用于内燃机散热器系统的防冻混合物,以防止水在寒冷的气候中结冰。18他提出了一种氯化钙与焦糖、葡萄糖和硼砂一起溶解于水的解决方案。这种混合物中葡萄糖和焦糖溶液的作用是防止氯化钙在蒸发时过度饱和而结晶。有人建议,此技术可用于各种应用,而不限于散热器系统。

 

之后在1956年,Rolle等人探索了除冰漆配方,将其作为一种永久性涂层材料,该材料以硝化纤维素、乙基纤维素、醋酸纤维素和聚丁烯为基料,与醇酸和乙烯基等树脂和/或用于航空部门的增塑剂相结合制备。19Rarty等人还研究了冰与各种固体的粘附性。 在他的研究中发现,因金属表面的污染物而大大降低了一个相当重要的粘附因素,在金属涂层界面的领域中,此降低作用更强。20对冰与基材界面附近剪切应力的详细研究表明,不同的聚合物材料和金属在与冰接触时的粘附性能有所不同。该小组对冰在不同表面上的粘附性进行了重要研究,并建立了冰在相似表面上滑动的粘附性与摩擦性之间的直接关系。其他一些研究表明,冰对各种表面的粘附强度存在显著差异,如果不加以处理,裸露的混凝土、木材、钢和铝便具有较高的冰粘附强度。21-25Parameswaran21, 22通过推桩试验确定,从高到低的粘附顺序遵循一种模式,具体为:木材>混凝土>钢,且这种粘附顺序是由多孔表面的锚定作用决定的。23

 

Wei等人24通过断裂试验发现,与铝相比,钢的冰粘附力较弱,这是由于钢的表面能低于铝。24, 25Sayward概述了关于粘附材料的综合文献综述,和减少冰粘附的几种策略。26他建议利用低表面能涂层材料来达到最佳粗糙度以减少冰粘附力。26空气的存在被认为是影响粘附力的一种重要污染源,其次是表面粗糙度和织构。然而,在疏水表面,粗糙度增加可能导致空气滞留,从而影响润湿性和附着力。26

 

为了减少冰的附着力(一种液体形态为水的附着物),就必须降低基材的可湿性,使其具有憎水性或疏水性26,即降低其反应性和表面张力,使其更具惰性,更不渗水。由此产生的高接触角似乎更有可能在交界面吸留空气。在实验室和大规模试验中,人们研究了不同聚合物材料的抗冰性能。有几种不同类别的环氧树脂、聚氨酯、硅树脂等,是不太被注意的材料。26-28

 

Andersson等人研究了可控表面性能的橡胶材料中的冰粘附力。29他们开发了几种以过氧化叔丁基异丙基为交联剂和纯聚合物的橡胶材料。红三叶草是红三轴草的一种叶子,也被用来测试冰的粘附强度。与天然产物相比,以树叶为基础的表面更易脱落水分。研究还发现,用炭黑对橡胶材料进行增强处理,可以显著提高冰的粘附力,揭示了聚合物材料与冰之间的润湿性和界面剪切强度之间的相关性。此外,随着键合强度的增加,聚合物的表面自由能也有所增加。

 

我们对不同类型的树叶,如白杨、桦树、黄杨、覆盆子、斗篷草、梯牧草、白车轴草等,进行了水接触角的测量,在30个不同的表面上结果表明,对于亲水性指数为“k”的材料,其冰粘附力较低,小于0.2,则对应于约90°或更高的水接触角。29只有些零散的研究30-32指出冰的粘附力会随水接触角的增大而降低,而另一些研究则发现这两个参数之间关系不大。33-37理论计算和实验观察表明,较低的冰粘附力与低渗透性、吸收能力和高表面疏水性(较高的水接触角)有关。

 

合成聚合物涂层的冰粘附强度比未涂覆表面的粘附强度低一个数量级。很少有具有足够性能的市售聚合物涂料被证明能有效降低涂层表面的冰粘附强度。特氟隆-4、有机硅环氧树脂“G”、乙烯基聚合物全氟漆膜等材料,是目前少数几种比较优良的涂层材料。38除了表面能低外,聚合物表面的高线性热系数对冰的粘附强度有着重要影响。

 

 

以聚(二甲基硅氧烷)-双酚为原料制备了聚碳酸酯基释冰嵌段共聚物涂料,Le Grand等人39和H.H.G. Jellinek等人40对冰的粘附涂层进行了研究,他们提到除了材料的疏水性外,它们的机械和物理性能对冰的粘附力也很重要。疏水表面对优异的消融性能至关重要。然而,实验观察28, 9表明,良好的粘附表面本身是不够的,而低的玻璃化转变温度Tg(作为测量链段自由运动的指标)也很重要。二甲基硅氧烷的含量必须在一定的重量百分比和链长范围内。粘附强度随硅氧烷含量及其链长,以及玻璃化转变温度而变化。如果分子含量、Tg和链长均在适宜范围之外时,则漆膜的流变力学性能与冰的相似,并且附着力降低。28, 39然而,冰和聚合物的流变性能必须不同才能获得更好的结果。聚硅氧烷(酰胺-酰脲)是一种可供选择的长效防冰涂料材料。基材与聚硅氧烷(酰胺-酰脲)涂层之间的粘结破坏了积冰与涂层基材之间的氢键。聚合物涂层与基材的粘附能力及其抑制涂层表面结冰的能力,使其成为防止飞机或其他车辆结冰的适合材料。40

 

聚四氟乙烯(PTFE)是一种在AI2O3基材上具有极强附着力的涂层,是由草酸电解液中阳极氧化所生成,它显著改善了憎水性和憎冰性。41, 42为避免PTFE降解,其浸渍可在低温(320°C)下进行,最终可最大限度地减少铝合金结构的改性。41, 42在磷酸制备的阳极氧化膜中浸渍PTFE也能获得良好的效果。这些疏水性很强的涂层比平的特氟龙好1.15倍,减少了将近2.5倍的冰粘附力,并能在去冰过程中保持活性。41, 42

 

Caroline Laforte等人13提出了两种不同类别的表面防护涂料(商用和工业用)。市售表面防护涂料产品易于使用,可轻易在市场上买到,平均价格约为65美元/升。这些商业产品包括一些表面坚硬,有点像油漆的产品,另一些表面具有粘弹性,像橡胶和高度紧实的铝粉表面。工业级保护涂料由金属保护蜡、锂基润滑脂和应用于铝表面的特氟隆涂料组成。这些涂料也有助于防腐蚀。然而,研究证实,这两类被研究的材料都不具备确切的防冰材料特性:减少冰粘附的高效性和持久的使用寿命。由于连续的除冰操作会导致表面逐步降解,这种防冰涂料也不是永久性的解决方案。不过,使用防冰涂料可能有助于减少消除积冰所需的剪切力。在这些过程中,少量的冰在表面预先形成,然后通过克服粘附力的外力,如重力或空气动力,将其清除。43

 

Ferrick等人测试了几种涂料配方以及不同的粘合剂组合(如Braycoote和Rain-X)和填料(如MP-55和UF-8TA)以及不同的填料/粘合剂比例,以评估SILC(航天飞机除冰涂料)中冰的粘附性。44他们还指出,测试表面的测量接触角范围为81°到143°。由Rain-X和MP-55混合制成的涂料在静态冰剪切试验中,与裸金属相比,具有较低的冰粘附性。在结冰风洞中,对一种叫做高级防冰表面(AIS)涂料的聚氨酯和聚四氟乙烯(PTFE)的混合物进行了防止机翼结冰的试验。45这些试验的基材是两个不同的机翼,一个机翼涂有AIS,另一个机翼涂有聚氨酯。测试的AIS涂层是透明防水的,接触角为150°,硬度为2H(铅笔硬度)。在机翼上插入一个电加热器来模拟防冰系统。值得注意的是,与涂覆聚氨酯涂层的机翼相比,用电加热器时,AIS涂层机翼上积聚的冰相对较少。在釉面结冰的条件下,AIS涂层的效果更好,因为在AIS涂层机翼上未观察到如聚氨酯涂层机翼上一样的结冰。45另一方面,C.Antonini等人46提出了一种基于超疏水涂层的替代方法。同样观察到在超疏水表面形成的孤立积冰表面,不同于在亲水表面形成的致密积冰表面。这些特性方法有助于阻冰,并有效安全地在基材表面除冰。46

 

除冰盐和化学品对环境和经济的影响

除冰盐和除冰化学品对经济和环境都有影响,因此,在防冰涂料领域继续研发和改进具有重要意义。为了研究这些物质对土壤、地下水、湖泊和溪流以及废水的影响,人们进行了几项研究。了解更多关于这些研究、航空工业除冰作业中采用的最佳做法、除冰剂对废水污染的影响以及回收过程中产生的成本等内容,请访问www.pcimag.com阅读全文。

 

 

致谢

 

Flora Coatings感谢Venkata Sreenivas博士和Natarajan Ganesan博士对本文提供的帮助。

 

 

参考资料:

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45 Kimura, S.; Yamagishi, Y.; Sakabe, A.; Adachi, T.; Shimanuki, M. A New Surface Coating for Prevention of Icing on Airfoils. Proceedings of SAE Aircraft and Engine Icing International Conference, Sep. Seville, Spain, 2007.

46 Antonini, C.; Innocenti, M.; Horn, T.; Marengo, M.; Amirfazli, A. Understanding the Effect of Superhydropho- bic Coatings on Energy Reduction in Anti-icing Systems, Cold Regions Science and Technology 67 (2011) 58-67.

 

 

 

 

 

§本文章来自PCI中文版2020年4月刊,未经授权不得转载。

 

 

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