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防结冰涂料技术的新突破

2020年03月07日 点击:

覆冰是冬季的一种常见自然现象,会导致 电力、能源、交通等工程领域面临严重结/覆冰难题。在高寒及强风沙地区的结/覆冰现象更加严重,如高速铁路机车测速雷达及转向架一旦覆冰,运行安全性会大大降低。目前材料防结冰主要有两种方法:构筑超疏水表面和添加特殊材料。通过在粗糙表面上涂覆低表面能材料获得的超疏水表面,由于好的防水性能和低的表面能,可以使水液滴有效去除,因此广泛应用于防结冰领域。但由于温度降低导致的吸附和冷凝以及结冰除冰,超疏水表面会失去其超疏水性能。因此在防结冰应用中仍面临很大挑战。常用涂层已经不能满足高寒、强风沙等低温恶劣环境下的使用要求, 如何应对并减少表面覆冰已成为目前面临的严峻挑战。下文介绍休斯顿大学 Ghasemi 教授的科研转化成果--下一代防结冰涂料技术,堪称lab to market 的典范,值得国内科研人员学习。

在美国,冰雪天气每年造成数十亿美元的损失,包括与航空旅行、基础设施、发电和输电设施有关的延误和破坏。冰能够顽固坚韧的附着在涂层上,因此寻找有效的、耐用的和环境稳定的防结冰材料有一定的困难。防冰表面在包括基础设施、交通和能源在内的广泛系统中起着至关重要的作用。在寒冷的气候下,积冰可能导致代价高昂的事件:电线倒塌,危及人们的生命,航空系统故障,机场延误,以及海洋和无人驾驶飞行器的功能丧失。目前许多系统依靠人工主动除冰技术,大多数防结冰涂料不足以满足各行业的高要求。

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防结冰涂层示意图(图片来源于休斯顿大学官网)

休斯顿大学的研究人员报告了一种新的物理理论,叫做应力定位,他们用它来调整和预测新材料的特性。研究人员在“材料地平线”杂志上报道,基于这些预测,他们已经发明了一种耐久的有机硅聚合物涂层,能够抵御任何表面的冰。他们写道:“我们开发了一种新的物理概念和相应的防结冰材料,这种材料在长期的机械、化学和环境耐久性方面表现出极低的结冰附着力。”

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 Hadi Ghasemi  (图片来源于休斯顿大学官网)

卡伦工程学院机械工程助理教授Hadi Ghasemi, Bill D. Cook  为这项工作的负责人,他说这些发现提出了一种方法,来规避寻找新材料各种尝试和错误,从而推动材料科学向以物理驱动为方法的方向转变。他说:“你把你想要的材料性能,这个理论方法将会告诉你,你需要合成什么样的材料。”他指出,这个概念也可以用来预测具有极好的抗菌或具有其他理想性能的材料。此前曾报道Ghasemi开发过几种新的抗寒材料,但他表示,与现存其他材料一样,这些材料目前无法完全克服冰附着在表面的问题,以及机械和环境耐久性问题。他说,相反的,使用应力定位的新理论可以使新材料得以避免上述缺陷。

2017年休斯敦大学的Hadi Ghasemi教授在其实验室技术基础上成立了SurfEllent公司,专注于防结冰涂料的开发和应用。SurfEllent公司的专利涂料在许多不同的行业都很有用,目前正在不断探索新的合作伙伴关系和产品开发机会。SurfEllent的被动涂层系统代表了防冰性能的进一步升级,在恶劣的环境条件下(温度、化学和紫外线暴露、磨损)具有极低的结冰附着力和非凡的耐久性。防结冰表面在高剪切流动下是非常稳定的,具有广泛的温度范围,同时显示出不粘的特性。在严酷的户外应用中,这些涂层显示出了优异的防结冰性能和长期的耐久性。

这种材料可以通过喷涂施工在任何材料表面使用。Ghasemi说,测试表明,这种材料不仅机械耐用,不受紫外线的影响--对于经常遭受太阳照射的飞机来说,紫外线非常重要--而且也不会改变飞机的空气动力性能。测试表明,它可以提供持续10年以上的防护而不需要重涂。它还能防止在寒冷气候下楼梯和人行道上常见的坚硬、光滑的冰层的形成,就像特氟龙锅一样,冰很难粘在上面 。这在航空、能源(发电、输电、石油和天然气)以及海洋工业中都有应用,可以减少从关键表面除冰的复杂性。

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