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在亲水性材料表面,液体浸润后能够很好的铺展,根据固体表面的分子与水分子作用的不同,亲水性表面的水通常有三种存在形态,如图所示:

超亲水防结冰

亲水性表面水分子存在的三种状态

在紧挨着亲水性表面的水分子与表面具有较强的水合作用,这种分子称为“不结冰水”,这种“不结冰水”通常为几个分子层厚,紧挨着“不结冰水”的水分子称为“键合水”,这些水分子在低于凝固点时也不会结冰,最外层的水分子被称为“自由水”,这部分水与本体水的性质相同,在达到凝固点时就会结冰。正是由于自由水的这一性质使得通常情况下低温下冷表面上结冰结霜现象不可避免,为了防止“自由水”在低温下的凝固,彩票88通常采用增加亲水性材料与水分子的氢键作用或者通过传统的“盐效应”来控制冰晶的生长,从而起到抑制结冰的效果。

理论研究方面,在1990Leslie Leiserowitz首次研究了脂肪醇对于成核温度的影响。研究结果表明,与能够有效防结冰的水溶性的醇相比,长链的脂肪醇单分散层可以在接近0℃诱导冰成核,相应的具有大的疏水基团的脂肪酸和醇可以使冰点降低12℃左右;同时他指出,两性分子导致的凝固点降低不仅与单位表面积上的分子数有关,还与脂肪醇链的长度和奇偶性有关。对于CnH2n+1OH同系物来说,当n为奇数时,成核温度在0℃左右,当n为偶数时,成核温度在最低在8℃。分析成核温度较髙的原因是由于定向排列的脂肪醇单分散层诱导了冰的成核。

在亲水性材料的制备和研究方面,Wu XMWebb RLM Newborough等学者研究了亲水性表面上抑制结霜的可能性。Highgate通过实验证明,亲水涂层可吸附大量的水,并且贮存了一部分潜冷,可使吸附的水达-20℃而不结冰。有的学者采用将乙二醇加到高聚物中作为亲水表面,取得了良好的抑霜效果,但问题是经过连续三次重复实验后,涂层便失去作用。Okoroafo采用高聚物亲水表面进行了两个多小时的结霜实验测量,可使结霜速率和霜层厚度减少10%~30%,但是在这种聚合物的网络中,吸收的水量存在一个临界值,只有在这个临界值之下,聚合物网络中吸收的水分子才不会结冰。Lee的研究表明亲水性表面上霜层厚度确实比普通表面上要少,但发现其冷表面结霜的密度更大些,研究发现随着相对湿度增大,亲水性涂层延缓结霜的能力也逐渐降低,箱层沉积后,其上面的霜层减少了表面能对结霜的影响。而 Jongmin Shin等人则研究了不同的涂层厚度对结霜的影响,研究表明,亲水性涂层越厚,其抑制结霜的效果越明显,但并没有分析涂层厚度何时为最佳,使其既能保证整体良好的导热性、涂层总耗最小,而且抑制结霜效果最显著。Rault等发现当水被聚乙烯醇或者聚乙烯吡咯烷酮或者两者的混合物吸收后,这些水分了中只有一部分可以结晶,并且不结晶水的比例与混合的比例相关。其原因是在降温过程中,在到达水的结冰温度之前聚合物水的无定形相已经凝固,使得水不会凝固Inada等研究了聚乙烯醇在抑制冰结晶方面的作用,并把这种抑制效果和I型抗冻蛋白进行对比。发现当聚乙烯醇的浓度即使降低至10-7mol/L时,冰晶的大小也不会随着时间发生变化,具有较强的抑制冰晶生长的效果,这与I型抗冻蛋白的抑制冰晶生长的效果类似。除此之外,作者还发现抑制冰晶生长的效果还与摩尔浓度、摩尔分子量和PVA的水解程度相关。

2.png

2(a)聚乙烯醇和(b)聚丙烯酸中冰晶的退火的光学照片

(c)冰晶大小和溶质的关系

(d)冰晶大小和聚乙烯醇浓度的关系

Jennifer Ayres等首先用钛酸异丙酯,三丙二醇和甘油制备得到了目标化合物,然后使用溶胶凝胶法使目标化合物缓慢水解释放异丙醇和甘油。由于异丙醇和甘油能够降低冰点,因此这种凝胶化学的方法可以用来做防结冰涂层。通过在风洞中的测试表明,在-2℃的条件下,具有该涂层的表面上冰的粘附较少,相比之下没有该涂层的钢表面粘附了大量的冰,因此可以看出这种涂层具有较好的抗冰效果。

3.png

3修饰后的表面()和未经修饰的表面()-2℃的条件下结冰20分钟后的照片。


超亲水防结冰涂层:http://www.91gowu.com


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理论研究方面,在1990Leslie Leiserowitz首次研究了脂肪醇对于成核温度的影响。研究结果表明,与能够有效防结冰的水溶性的醇相比,长链的脂肪醇单分散层可以在接近0℃诱导冰成核,相应的具有大的疏水基团的脂肪酸和醇可以使冰点降低12℃左右;同时他指出,两性分子导致的凝固点降低不仅与单位表面积上的分子数有关,还与脂肪醇链的长度和奇偶性有关。对于CnH2n+1OH同系物来说,当n为奇数时,成核温度在0℃左右,当n为偶数时,成核温度在最低在8℃。分析成核温度较髙的原因是由于定向排列的脂肪醇单分散层诱导了冰的成核。

在亲水性材料的制备和研究方面,Wu XMWebb RLM Newborough等学者研究了亲水性表面上抑制结霜的可能性。Highgate通过实验证明,亲水涂层可吸附大量的水,并且贮存了一部分潜冷,可使吸附的水达-20℃而不结冰。有的学者采用将乙二醇加到高聚物中作为亲水表面,取得了良好的抑霜效果,但问题是经过连续三次重复实验后,涂层便失去作用。Okoroafo采用高聚物亲水表面进行了两个多小时的结霜实验测量,可使结霜速率和霜层厚度减少10%~30%,但是在这种聚合物的网络中,吸收的水量存在一个临界值,只有在这个临界值之下,聚合物网络中吸收的水分子才不会结冰。Lee的研究表明亲水性表面上霜层厚度确实比普通表面上要少,但发现其冷表面结霜的密度更大些,研究发现随着相对湿度增大,亲水性涂层延缓结霜的能力也逐渐降低,箱层沉积后,其上面的霜层减少了表面能对结霜的影响。而 Jongmin Shin等人则研究了不同的涂层厚度对结霜的影响,研究表明,亲水性涂层越厚,其抑制结霜的效果越明显,但并没有分析涂层厚度何时为最佳,使其既能保证整体良好的导热性、涂层总耗最小,而且抑制结霜效果最显著。Rault等发现当水被聚乙烯醇或者聚乙烯吡咯烷酮或者两者的混合物吸收后,这些水分了中只有一部分可以结晶,并且不结晶水的比例与混合的比例相关。其原因是在降温过程中,在到达水的结冰温度之前聚合物水的无定形相已经凝固,使得水不会凝固Inada等研究了聚乙烯醇在抑制冰结晶方面的作用,并把这种抑制效果和I型抗冻蛋白进行对比。发现当聚乙烯醇的浓度即使降低至10-7mol/L时,冰晶的大小也不会随着时间发生变化,具有较强的抑制冰晶生长的效果,这与I型抗冻蛋白的抑制冰晶生长的效果类似。除此之外,作者还发现抑制冰晶生长的效果还与摩尔浓度、摩尔分子量和PVA的水解程度相关。

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2(a)聚乙烯醇和(b)聚丙烯酸中冰晶的退火的光学照片

(c)冰晶大小和溶质的关系

(d)冰晶大小和聚乙烯醇浓度的关系

Jennifer Ayres等首先用钛酸异丙酯,三丙二醇和甘油制备得到了目标化合物,然后使用溶胶凝胶法使目标化合物缓慢水解释放异丙醇和甘油。由于异丙醇和甘油能够降低冰点,因此这种凝胶化学的方法可以用来做防结冰涂层。通过在风洞中的测试表明,在-2℃的条件下,具有该涂层的表面上冰的粘附较少,相比之下没有该涂层的钢表面粘附了大量的冰,因此可以看出这种涂层具有较好的抗冰效果。

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