使用除冰液处理的表面涂层的抗/除冰性能评估方法

《Progress in Materials Science》：Evaluation method for anti-/de-icing properties of topcoat surfaces treated with deicing fluid

定量评估SiO?纳米粒子增强型乙二醇基防冻液对聚尿烷涂层CFRP基材的冰晶核化、生长及除冰效率的影响，提出基于表面疏水改性与热传导优化的多维度评价体系。研究发现纳米粒子通过形成Cassie-Baxter状态显著提升表面疏水性，同时改善热传导路径，但冻融循环会加剧表面粗糙度和局部损伤。摘要：

　　在当今科技飞速发展的背景下，防冰和除冰技术已成为多个工业领域关注的焦点。特别是在航空领域，结冰现象不仅影响飞行安全，还可能对飞行器的结构完整性造成威胁。因此，研究如何提高除冰效率、减少结冰对设备的影响，以及开发更为环保的解决方案，具有重要的现实意义。本研究聚焦于一种新型的纳米粒子增强型除冰液体，旨在通过系统分析其性能提升，为防冰与除冰技术提供更加科学和可重复的评估方法。

防冰和除冰技术的应用范围广泛，涉及从能源到交通、建筑等多个行业。例如，在太阳能板上结冰会显著降低其光吸收效率，进而影响整体发电能力。而在风力涡轮机叶片上，结冰不仅会破坏气动性能，还可能导致旋转失衡和结构疲劳，这不仅影响能源产出，还对设备的使用寿命构成威胁。在低温环境中，结冰问题尤为突出，特别是在反复或广泛结冰的情况下，系统的性能和可靠性会受到长期影响。此外，在高海拔、低温的环境中，结冰现象还可能对飞行器造成致命的风险，例如影响升力、增加气动阻力、导致仪表故障等，这些因素都可能引发严重的飞行事故。

为了应对这些问题，研究者们开发了多种防冰和除冰技术。其中，一些物理方法，如嵌入式电加热元件或利用发动机废气加热飞机表面，虽然能够有效除冰，但往往存在高能耗、结构疲劳积累以及除冰不彻底等问题。因此，化学方法，尤其是除冰液体的应用，成为了一个更为普遍的解决方案。传统的除冰液体主要基于甘醇类化合物或碳链长度在C8到C24之间的醇类，这些液体通常会添加一些辅助成分，如增稠剂、防锈剂、表面活性剂和着色剂，以增强其性能和适用性。这些化学液体在喷洒后能够迅速融化冰层，并在一定时间内防止再次结冰，从而确保飞行安全。然而，它们的使用也带来了一些负面效应，例如对飞机表面涂层的损伤、金属疲劳的积累，以及对传感器和电子系统的干扰，这些都可能导致飞机使用寿命的缩短和维护成本的增加。此外，除冰液体在使用过程中可能在跑道和停机坪上留下残留物，进而对环境造成污染，如土壤和地下水的污染、水生生态系统破坏，以及混凝土和沥青表面的耐久性下降。由于甘醇类化合物具有较高的生物需氧量，它们在水体中会消耗溶解氧，进而加速水体污染，影响水生微生物的生存。

近年来，研究者们开始关注开发更为环保和高性能的除冰液体。其中，通过添加功能添加剂，如二氧化硅（SiO?）和二氧化钛（TiO?）纳米粒子，能够有效提升除冰液体的热传导性能，并削弱表面与冰之间的界面粘附力。此外，聚合物增稠剂的使用也有助于控制液体的粘度，提高其在表面的滞留时间。这些改进措施不仅能够实现简单的化学融化，还能够通过调控表面特性，延迟或防止结冰的发生，类似于抗冰表面的构建。这一概念与当前抗冰表面技术的发展趋势相吻合，例如超疏水涂层、低界面能表面以及界面热传导控制技术等。通过控制表面粗糙度和表面能，可以有效提高表面的水接触角，从而促进水滴的快速滑落，减少结冰的可能性。此外，使用纳米粒子或热传导添加剂可以迅速提升表面温度，从而改变结冰的临界点，提高除冰效率。这些技术的融合，使得除冰液体逐渐演变为多功能的表面活性系统，不仅依赖于热传递或融化机制，还通过表面特性调控实现抗冰效果。

然而，尽管除冰液体在实际应用中具有诸多优势，其评估方法仍然存在一定的局限性。目前，一些标准测试方法主要依赖于实验室条件下的间接参数，如滞留时间和粘度，这些参数并不能准确反映除冰液体在真实飞机运行环境中的抗冰和除冰性能。此外，传统的评估方法往往难以控制关键的环境因素，如表面温度梯度、水滴撞击动力学和结冰起始时间，这导致测试结果的可重复性和可靠性较低。因此，建立一套标准化、定量的评估方法，能够对除冰液体的实际抗冰和除冰性能进行多维度的分析，对于推动未来防冰技术的发展具有重要意义。

本研究的目的是开发一种基于纳米粒子的除冰液体，并建立一套评估其抗冰和除冰性能的方法。研究者通过分析除冰液体对聚氨酯涂层的影响，探讨了表面特性的变化。同时，对二氧化硅纳米粒子在除冰液体中的作用和影响进行了深入研究，特别是在增强表面疏水性和热传导性方面。此外，研究还评估了除冰液体在不同处理条件下的抗冰特性，以及其在实际应用中的除冰性能。这些研究不仅有助于理解除冰液体的性能机制，还为未来的防冰技术提供了理论依据和实践指导。

研究过程中，采用了多种先进的分析手段，以确保评估的准确性和全面性。例如，通过共聚焦显微镜对除冰液体引起的表面损伤进行了分析，结果显示，未经除冰液体处理的表面在经历结冰和自然融化后，仅出现轻微的损伤，这表明单纯的冻融循环并不会导致严重的表面退化。然而，使用除冰液体处理的表面则出现了明显的裂纹和表面高度波动，这表明除冰液体可能对表面造成局部损伤。这一发现为研究者提供了重要的线索，即除冰液体的使用虽然能够提高除冰效率，但也可能对表面结构产生影响，因此在实际应用中需要权衡其利弊。

此外，研究还探讨了纳米粒子在除冰液体中的作用机制。通过实验分析，发现纳米粒子的加入能够有效提高表面的疏水性，从而延迟结冰的发生。同时，纳米粒子还能促进热传导路径的形成，进一步提升除冰性能。这些发现表明，纳米粒子的引入不仅能够改善除冰液体的性能，还可能为未来的防冰技术提供新的思路和方向。然而，研究也发现，在反复的结冰和除冰循环中，表面粗糙度和局部损伤会逐渐增加，这可能影响除冰液体的长期性能和稳定性。因此，在实际应用中，需要对除冰液体的使用频率和使用条件进行合理控制，以减少对表面的负面影响。

为了进一步推动防冰技术的发展，研究者提出了新的评估方法，以确保除冰液体的性能能够得到全面和科学的分析。这些方法不仅能够评估除冰液体的化学融化能力，还能够分析其抗冰性能，从而为未来的防冰技术提供更加可靠的理论依据和实践指导。此外，研究还强调了标准化评估的重要性，认为只有通过标准化的评估方法，才能确保不同除冰液体之间的可比性，以及其在实际应用中的有效性。

总之，防冰和除冰技术的研究不仅涉及材料科学，还与工程技术和环境科学密切相关。随着科技的进步，这些技术正朝着更加环保、高效和多功能的方向发展。然而，要实现这些目标，需要不断优化评估方法，以确保技术的可靠性和可重复性。因此，建立一套科学、全面、标准化的评估体系，对于推动防冰技术的发展具有重要的意义。同时，研究还指出，除冰液体不应仅仅被视为一种消耗品，而应被视为一种集成材料的抗冰系统，与飞行器的结构设计相结合，以实现更好的防冰效果。这种集成化的设计思路，不仅能够提高除冰效率，还可能为未来的防冰技术提供新的发展方向。