西南科技大学杨益副教授等：一步法制备超疏水表面及其防覆冰性能研究

2024-10-16 13:41:05 作者：表面云社区来源：表面云社区分享至：

背景与意义：

水在大气和环境中广泛存在，并且低温下极易在物体表面凝结成冰。结冰往往会给许多领域造成严重灾难，例如输电线路、飞机、电信网络等。因此，抑制结冰是实际工程应用领域急需解决的重大问题之一。目前，传统的防除冰技术主要包括电加热防除冰、化学防除冰以及机械震动防除冰等，虽然这些技术具有显著的防除冰效果，但存在能源消耗大、环境不友好以及除冰不彻底等问题。针对以上问题，基于超疏水表面的被动防除冰策略是一种有效的防除冰手段，研究超疏水防除冰对实际工程应用具有非常重要的意义。飞秒激光直写技术具有热影响区域小、灵活性高、加工精度和均匀性好的特点。人们通过飞秒激光制备出了具备类似荷叶效应的超疏水表面。超疏水表面在雾水收集、液体输运、防除冰、油水分离等领域也有着广泛的应用。

西南科技大学杨益副教授团队采用飞秒激光直写技术将PTFE纳米粒子部分嵌入铜网中。由于PTFE纳米粒子附着铜网表面，使得其表现出优异的超疏水性能，水滴容易从其表面滑落，能够有效减少冰在表面的形成和累计，并且形成的冰具有较低黏附力，易于脱落，提高了其表面的防覆冰性能。通过改变加工参数，优化超疏水性能，制得的PTFE附着铜网表面的接触角可达152°，滚动角为4°，最小冰黏附力可以达到2.55 kPa，相比普通的超疏水表面缩小了近2.5%。

图文导读：

由于荷叶表面分布有大量微米级的蜡质微乳突结构，其展现出优异的超疏水特性（图1a）。为了加工出具有低表面能的超疏水结构表面，将铜网和PTFE固定在一起，加工流程如图1b所示，采用飞秒激光直写技术将PTFE纳米粒子部分嵌入铜网中。由于PTFE紧贴铜网，PTFE的微纳米结构飞溅到铜网表面，结构如图1c~e所示。由于粗糙的铜网表面附着有低表面能的PTFE纳米颗粒，使得加工后的样品具有优异的超疏水性能，而铜网中间存在间隙，较小的接触面积导致应力集中，使得其具有低黏附特性。

为了更好地分析液滴在冷凝过程中的状态、结冰时间和黏附力，研究了不同加工功率对材料润湿性的影响。在扫描间距为0.02 mm，扫描速度为1 mm/s的情况下，改变加工功率，加工出不同微观结构，有苍耳状结构（SC）、絮状（CL）以及长柱状（SP），随后与未垫PTFE加工的铜网（WD）进行对比，它们的接触角和滚动角如图2a所示。为了观察制冷期间液滴的变化，研究了制冷时间与液滴半径之间的关系，如图2b所示，随着时间的增加，液滴的半径逐渐变大。这表明在制冷过程中，液滴开始从Cassie状态向Wenzel状态转变。SC和CL液滴半径随时间的变化相差不大，表明其Cassie状态稳定，具有优异的防除冰性能。随后探究不同类型的结冰时间，如图2g所示，发现随着接触角的增大，结冰时间延长，延迟结冰时间如图2c~f所示。SP和WD的接触角比较接近，但是结冰时间相差较大，表明PTFE在延长结冰时间上起着重要作用。此外，黏附力是评估防除冰性能的关键指标。可以发现，随着润湿性的增加冰黏附力减小。

具有SC形态的超疏水表面冷凝自去除如图3a、3b所示。液滴冷凝自去除主要有3个阶段：成核、生长和合并自去除。首先是成核阶段，随着冷凝时间的延长，空气中的水滴开始在铜网的边缘成核。表明水蒸气聚集在铜网上形成微小的液滴。然后是生长阶段，微小的液滴会随着时间的推移逐渐生长。随着液滴的扩大，周围其他的液滴也会逐渐聚集和吸附在一起，形成更大的液滴。最后是合并自去除阶段，在液滴达到一定大小后，周围的液滴开始融合到一起。此过程会释放能量，释放的能量会转化为势能，从而实现液滴的冷凝自去除。冷凝液从单线区移动到网状交汇处，水滴、基底表面以及微结构储存的空气不连续且不稳定，这进一步降低了表面黏附力，促进了冷凝液的快速自去除。

此外，超疏水铜网还显示出优异的自清洁性能。如图3c、3d所示，在低表面能和粗糙度的共同作用下，由于固液两相接触面积减少，使木屑与液滴的黏合力下降，同时，水分子内聚性增加，团聚在超疏水表面，将样品倾斜一定角度放在培养皿内，用针管滴取液滴在超疏水表面，液滴在滚动的过程中带走超疏水表面的木屑，实现自清洁。经液滴处理后，得到完全清洁的样品，显示出优异的自清洁性能。

结论：

通过控制飞秒激光加工参数制备了一种基于PTFE附着铜网的超疏水防除冰表面。铜网由于其优异的导电性能和可加工性而被用作基材。将PTFE纳米颗粒部分嵌入铜网中，使加工后的铜网具有优异的超疏水性，水接触角为152°，滚动角低至4°。其延迟结冰能力是未垫PTFE加工表面的2.2倍，结冰时间可达1343 s。最小冰黏附力可以达到2.55 kPa，相比普通的超疏水表面缩小了近2.5%。探究了延迟结冰时间、冰黏附力与润超疏水性的关系。研究发现，超疏水性和应力集中导致冰附着强度较低。此外，研究了低温下微液滴在PTFE附着铜网的超疏水表面的冷凝自去除过程和自清洁过程。该表面在低温下具有冷凝自去除特性，同时显示出优异的自清洁性能。施加5.01 V的电压，铜网表面能够有效防止冰的形成。PTFE附着铜网的超疏水表面在防除冰领域具有良好的应用的前景。

文章信息：

该文章发表在《表面技术》第53卷第16期。

引文格式：刘宏伟, 邹秦锐, 杨益, 等. 一步法制备超疏水表面及其防覆冰性能研究[J]. 表面技术, 2024, 53(16): 190-197.

LIU Hongwei, ZOU Qinrui, YANG Yi, et al. One-step Preparation and Anti-icing Performance of Superhydrophobic Surface[J]. Surface Technology, 2024, 53(16): 190-197.

DOI：10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.16.016

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