冻黏系统中非金属基底对结冰黏附强度的影响

Influence of non-metallic materials in freezing adhesion system on shear ice adhesion strength

摘要

本文选用聚四氟乙烯、聚氨酯、聚丙烯、聚甲基丙烯酸甲酯4种非金属材料作为黏附基底，研究不同非金属基底材料对切向结冰黏附强度的影响。首先，测量不同非金属基底表面的静态接触角及表面硬度；其次，利用自制试验装置，在-20 ℃环境下，测量5 mL附着水冻结1 h后的切向结冰黏附强度。试验结果表明：覆冰在4种非金属基底表面的切向结冰黏附强度分别为82.89、45.26、99.53、151.27 kPa。4种非金属材料表面的切向结冰黏附强度与表面润湿性不存在线性关系，但与材料硬度呈正线性相关。分析认为，水在材料表面冻结过程中发生相变膨胀现象；在低温环境下，低硬度材料遇冷易收缩。在冰-固黏附系统中，与覆冰接触的材料表面产生微变形，该变形会干扰冰与基底之间黏附界面的稳定性，降低冰在非金属基底表面的切向结冰黏附强度。本文可为工程领域中防/除冰技术开发与优化提供理论支持，尤其为待防/除冰部件中非金属材料的选择提供参考。

Abstract

In this paper， four non-metallic materials， polytetrafluoroethylene， polyurethane， polypropylene， polymethyl methacrylate， were selected as adhesion substrates to study the effect of different non-metallic substrate materials on shear ice adhesion strength. Firstly， the static contact angle of the non-metallic substrate surfaces and the surface hardness of different substrates were measured； secondly the shear ice adhesion strength of 5 mL of water frozen at -20 °C for 1 h was measured by a self-made experiment device. The test results showed that the shear ice adhesion strengths on the four non-metallic substrate surfaces were 82.89， 45.26， 99.53， 151.27 kPa， respectively. The shear ice adhesion strength on the non-metallic substrate surface was not linearly to surface wettability， but positively linearly related to the hardness. It was found that the water attached to the substrate surface could undergo phase transformation during the freezing process； in low-temperature environments， low-hardness materials could be prone to shrinkage when exposed to cold. In anice-solid adhesion system， the micro-deformation would occur on the substrate surface in contact with the accreted ice. This deformation interferes with the stability of the adhesion interface between the ice and the substrate. Hence， the shear ice adhesion strength on the non-metallic substrate surface would be reduced. This paper could provide theoretical support for the development and optimization of the anti/de-icing method in the engineering field， especially for the selection of non-metallic materials in the components to be anti/de-iced.

Graphical abstract

关键词

结冰黏附 / 非金属材料 / 切向结冰黏附强度 / 表面特性 / 相变 / 界面稳定性

Key words

ice adhesion / non-metallic material / shear ice adhesion strength / surface property / phase transformation / interface stability

0 引　言

在冬季或低温环境下，水滴会在固体表面发生相变并冻结成冰。部件表面覆冰不仅会遮挡工作部件、改变部件表面形貌、增加工作部件载荷、限制机械部件自由度，还会给航空、电力运输、船舶、农产品冷藏设备、高铁等行业领域带来严重影响^［1-6］。例如，2008年我国发生的冷冻灾害导致线缆断裂、输送塔倒塌，并引起电网大面积瘫痪，造成1 500余亿元的直接经济损失^［3，7］。为降低结冰黏附对工程领域的危害，研究人员已开发了多种防/除冰方法。根据工作原理，常规防/除冰技术可分为机械类、热融类、化学类及新型防/除冰涂层^［8-12］。虽然常规防/除冰技术在工程领域中应用广泛且具有良好的效果，但通常以高能耗、高成本、污染环境及腐蚀部件为代价^［13-15］。基于荷叶效应开发的超疏水防/除冰涂层因在耐久性、稳定性和力学强度等方面存在不足，实际应用受到限制^［16-19］。

在低温环境下，附着水在材料表面相变冻结成冰是难以避免的，因此当前结冰领域的研究主要集中在防/除冰方法的开发与优化、结冰过程及结冰黏附强度的影响因素等方面。例如，Jin等^［8］通过改变内置溶液浓度实现结冰时间的错位，从而破坏结冰界面，达到降低结冰黏附强度的效果；Chen等^［20］研究发现，结冰过程中会产生相变潜热且水体会发生膨胀，利用其产生的热能和膨胀势能可以有效降低结冰黏附强度；Momen等^［21］在结冰风洞内探究了单位体积水含量对冰黏附强度的影响，发现随着环境含水量的增加，冰黏附强度逐渐降低；王国刚等^［22］测试了不同冻结时间下抛光铝表面的冰黏附强度，试验结果表明，抛光铝表面的冰黏附强度随着冻结时间的延长而逐渐增大，最终趋于稳定。在相同的冻结条件下，随着环境温度的降低，冰在基底表面的黏附力逐渐增加；但随着环境温度持续降低，基底表面的冰黏附力增加到一定数值后，逐渐达到稳定值^{［23，24］}。研究人员往往关注如何减小冰的黏附量及降低结冰黏附强度，而忽略了低温黏附系统中黏附基底对结冰黏附强度的影响。

金敬福等^［25］通过在铝基和PMMA基底表面加工弹性涂层后进行黏附强度测试试验，发现弹性涂层的弹性系数及其分布规律会影响结冰黏附强度。因此，本文选用工程中常用的4种非金属材料作为冻黏系统中的黏附基底，结合基底表面特性，探究不同非金属材料对切向结冰黏附强度的影响机理，为工程领域中待防/除冰部件非金属材料的选择提供支持。

1 试验材料与方法

1.1　试验材料

为分析非金属材料表面润湿性对黏附强度的影响，试验选用工程中常用的聚四氟乙烯（Polytetrafluoroethylene， PTFE）、聚氨酯（Polyurethane， PU）、聚丙烯（Polypropylene， PP）、聚甲基丙烯酸甲酯（Polymethyl methacrylate， PMMA）4种材料作为试验基底。试验中，试样尺寸均为50 mm×50 mm×5 mm，且试验基底均经过超声清洗处理。

润湿性可用于反映水滴在材料表面的铺展能力，通常用静态接触角进行表征。因此，试验利用Dataphysics-OCA20视频光学接触角测量仪（见图1），将5 μL水滴分别滴加在4种非金属材料表面，测量其接触角。每种材料重复测试10次，以水在非金属材料表面静态接触角的平均值作为最终表征结果。

通过560-10D型数显硬度计测量非金属材料表面不同位置的硬度。

1.2　黏附强度测试装置及方法

本文采用“水杯法”测量冰在不同非金属材料表面的黏附强度。试验采用内径为32 mm、外径为40 mm、高度为41 mm的铝制水杯，通过上方注水口向水杯内部注入5 mL水。将待测试样整体（见图2（a））置入环境箱内，在-20 ℃环境下冻结1 h后，利用自制结冰黏附强度测量装置（见图2（b））进行测试。在试验过程中，将覆冰从材料表面剥离时的最大拉力作为该条件下覆冰的切向结冰黏附力。根据式（1）计算覆冰在非金属材料表面的切向结冰黏附强度：

\tau =\frac{F}{S}（1）

式中：F为切向结冰黏附力；S为覆冰与材料之间的接触面积，即铝杯内面积。

2 试验结果及分析

2.1　试验结果

2.1.1　接触角测试结果

通过接触角测量，4种不同非金属材料表面的接触角如图3所示。结果显示，PTFE的接触角平均值为113.49°，PU的接触角平均值为105.13°，PP的接触角平均值为96.42°，PMMA的接触角平均值为81.04°。由图3可以看出，PTFE、PU、PP材料的表面接触角均>90°，呈现疏水特性。

2.1.2　材料硬度测试结果

试验中，4种基底材料表面的平均硬度从大到小依次为PMMA、PP、PTFE、PU，具体数值如表1所示。同时，为探究不同非金属材料对结冰黏附强度的影响，通过查阅相关手册确定4种材料^{［26，27］}的弹性模量及线膨胀系数。弹性模量越大，材料抵抗变形的能力越强，4种非金属材料抵抗变形的能力由强到弱依次为PMMA、PP、PTFE、PU。在低温环境下，材料的变形量大小顺序与其抵抗变形能力大小顺序相反。

2.1.3　切向结冰黏附强度

利用图2所示结冰黏附强度测试装置测试冰在4种非金属材料表面的切向结冰黏附强度，并计算每种基底材料表面的平均切向结冰黏附强度，如图4所示。由图4可以看出，覆冰在非金属基底表面的切向结冰黏附强度并未随表面润湿性的增大而增大，而是与表面硬度近似呈正线性相关。冰在4种非金属材料表面的平均切向结冰黏附强度由大到小依次为PMMA、PP、PTFE、PU，与基底材料表面平均硬度的排序一致。冰在PMMA表面的平均切向结冰黏附强度最大，为151.27 kPa；在PU、PTFE、PP基底表面的平均切向结冰黏附强度分别为45.26、82.89、99.53 kPa。

2.2　机理分析

由图4可以看出，不同非金属材料对其表面平均切向结冰黏附强度具有不同的影响，且表面润湿性越高并不意味着冰在其表面的切向黏附强度越高。同时，基于试验基底表面的润湿性、硬度测量结果及材料弹性模量可以看出，4种非金属材料具有不同的表面特性。由于水在冻结成冰的过程中会伴随相变膨胀，体积增大，且基底材料在低温环境下会收缩。因此，本文基于不同非金属材料的表面特性，结合低温环境下水的相变膨胀及材料遇冷收缩特征，探究不同非金属材料对切向结冰黏附强度的影响机理。

本文利用自制的结冰过程显微观测装置，观察了附着水在非金属基底表面的冻结过程。图5为附着水在PMMA基底表面的冻结过程。由图5可以看出，随着冻结时间的延长，附着水在PMMA表面的冻结过程可分为初始阶段（见图5（a））、润湿及铺展阶段（附着水处于过冷状态，见图5（b）（c））、冻结锋面出现（开始相变结冰，见图5（d））、相变并冻结成冰（水与冰混合物，见图5（e）~（g））及冻结完成（见图5（h））过程。同时，由图5可以看出，随着冻结时间的继续推进，附着水开始相变，内部出现冻结锋面。此时，附着水与PMMA基底表面的接触直径明显大于初始状态下二者的接触直径，沿基底表面向外膨胀扩张。当表面附着水完全相变冻结成冰后，冰与基底表面的接触直径仍大于初始状态下附着水与基底的接触直径。这与文献［28］的研究成果一致。

虽然附着水在PTFE表面的静态接触角大于水在PU表面的静态接触角，预期覆冰在PTFE表面的切向结冰黏附强度应小于其在PU表面的切向结冰黏附强度，但试验结果显示PTFE表面的切向结冰黏附强度高于PU表面的切向结冰黏附强度。因此，覆冰在材料表面的切向结冰黏附强度并非仅受表面润湿性影响。由表1可见，试验中4种非金属材料具有不同的弹性模量及线膨胀系数。在低温环境下，4种非金属材料的收缩性能为PU>PTFE>PP>PMMA。课题组前期研究表明，附着水在冻结过程中会沿附界面向外产生界面应变^［29］。

图6为非金属材料基底对切向结冰黏附强度的影响机理图。在低温环境下，基底表面的附着水逐渐进入过冷状态，同时基底遇冷向内收缩，产生收缩应变。随着冻结时间延长，附着水开始相变冻结成冰，并伴随体积膨胀，导致覆冰与基底之间的接触界面增大（见图5），形成沿冻结界面向外的膨胀应变，同时覆冰与基底表面形成稳定的黏附界面。此时，非金属基底遇冷收缩，会破坏冰与基底表面已形成的稳定黏附界面，使黏附界面形成冻结缺陷，影响覆冰在材料表面的黏附稳定性，降低覆冰在材料表面的切向结冰黏附强度。

由表1可以看出，试验中4种非金属材料的抗变形能力由强到弱依次为PMMA、PP、PTFE、PU，且在相同低温环境下，4种非金属材料的收缩量由大到小依次为PU、PTFE、PP、PPMA。当表面附着水完全冻结后，相较于其他非金属基底，PU基底向内收缩量最大，使得覆冰与非金属基底之间形成的冻结缺陷更大，对其黏附稳定性的影响最大，因此覆冰在PU基底表面形成的切向结冰黏附强度最小。PMMA的线膨胀系数最小、抗变形能力最低，覆冰在PMMA表面形成的稳定黏附界面受PMMA遇冷收缩的影响最小。因此，在4种非金属材料中，冰在PMMA表面的切向结冰黏附强度最大。

3 结束语

本文探究了非金属基底对切向结冰黏附强度的影响。试验结果表明，覆冰在非金属材料表面的切向结冰黏附强度不会随表面润湿性的增加而增加。随着冻结时间的持续，基底表面附着水相变冻结成冰的同时，覆冰与基底表面形成稳定的黏附界面；而非金属基底遇冷收缩，破坏了覆冰与基底表面已形成黏附界面的稳定性，降低了覆冰在材料表面的切向结冰黏附强度。本研究成果有助于工程领域中防/除冰技术的开发与优化，也为工程领域中不同部件的使用性能及基底材料的选择提供了基本参考，有利于后期降低部件表面覆冰的清除难度和防/除冰成本。

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基金资助

结冰与防除冰重点实验室开放课题项目(IADL20230104)

国家自然科学基金青年项目(52205309)

吉林省科技厅项目(20220101215JC)

吉林大学研究生创新基金项目(2024CX213)

四川省全电通航飞行器关键技术工程研究中心开放课题项目(CAFUC202401KF001)