Page 83 - 《精细化工》2021年第5期

第 5 期 李回归，等: 炭黑/PDMS 光热超疏水涂层的制备及防冰除冰性能 ·937·

从图 2 可以看出，随着炭黑纳米粒子的比例增
加，涂层表面水滴的接触角增加，滚动角降低。这
是因为随着炭黑纳米粒子的增加，涂层的表面粗糙
性增加。当炭黑纳米粒子与 PDMS 的质量比为 2∶1
时，涂层表面水滴的接触角达到最大，为 161°，滚
动角达到最低，为 1.4°。继续增加炭黑纳米粒子的
比例时涂层表面水滴的接触角和滚动角没有发生明
显变化，这与前述的涂层表面的粗糙性的贡献是一
致的。因此，选定炭黑纳米粒子与 PDMS 的质量比
图 4 冰在玻璃和超疏水涂层表面的黏附强度
为 2∶1 作为制备涂层的最优制备条件。
Fig. 4 Adhesion strength of ice to glass and superhydrophobic
2.3 抗冰性能 coating surfaces
2.3.1 结冰时间
不同基材及其喷涂涂层后的结冰时间和冰的黏
为了评测超疏水涂层的抗冰性能，采用数码电
附强度如表 1 所示。从表 1 可以看出，喷涂超疏水
子显微镜原位记录了 8 μL 水滴在温度为–20 ℃, 相
涂层后，玻璃表面的结冰时间从 30 s 延长至 160 s，
对湿度为 35%±5%环境下的结冰过程，结果见图 3。
冰的黏附强度从 216.35 kPa 降低为 35.38 kPa。塑料
从图 3a 可以看出，水滴在光滑玻璃表面呈平铺
表面的结冰时间从 52 s 延长至 215 s，冰的黏附强度
状态，且在 30 s 完全冰冻后冰滴呈峰状。而从图 3b
从 108.91 kPa 降低为 31.27 kPa。铝片表面的结冰时
可以看出，水滴在超疏水涂层表面呈球状，且结冰
间从 18 s 延长至 88 s，冰的黏附强度从 254.76 kPa
时间延长至 160 s，冰冻后的冰滴依然呈现球状。引起
降低为 40.09 kPa。不锈钢表面的结冰时间从 20 s 延
水滴在两种表面结冰行为的不同主要是因为冰晶成
长至 95 s，冰的黏附强度从 244.66 kPa 降低为 36.62 kPa。
核过程不同。在玻璃表面水滴的结冰是在固液界面
这些基材经涂层后防冰性能均有大幅度提高，说明
处自发异相成核，冰核自下而上生长。而超疏水涂
该涂层适用于多种基底。
层表面因具有独特的微纳粗糙结构，在水滴与其表
面之间会形成气垫层，从而使接触面积极大地减小， 表 1 不同基材及其涂层表面结冰时间和冰的黏附强度
Table 1 Surface freezing time and ice adhesion strength of
因此结冰行为是在气液界面进行的。空气的传热效 different substrates and their coatings
率相对玻璃较低，因此结冰时间得到有效延长 [19-20] 。 未含涂层的 含有涂层的 未含涂层的 含有涂层的
不同基材 结冰时间/s 结冰时间/s 黏附强度/kPa 黏附强度/kPa

玻璃 30 160 216.35 35.38
塑料 52 215 108.91 31.27
铝片 18 88 254.76 40.09
不锈钢 20 95 244.66 36.62

2.4 光热超疏水涂层的光热性能及光热除冰性能
2.4.1 涂层的光热性能
将样品在模拟太阳光照射下评价涂层的光热性

能，图 5a 为不同样品在一个太阳光强照射下的光热
图 3 水滴在玻璃（a）和超疏水涂层（b）表面的结冰过 曲线。从图中可以看出，玻璃表面和超疏水涂层表
程照片 面在 180 s 的照射后达到平衡温度。玻璃表面的平
Fig. 3 Photographs of water droplet on glass (a) and
superhydrophobic coating (b) during the freezing 衡温度仅为 34.7 ℃。由于炭黑具有高效的光热转换
process 效率，涂层表面的温度高达 75.3 ℃。图 5b 和 c 分
别为玻璃和光热超疏水涂层在平衡温度的热红外照
2.3.2 冰黏附强度 片，与图 5a 的结果一致。
冰在玻璃和涂层表面的黏附强度如图 4 所示。 2.4.2 涂层的光热除冰性能
从图 4 可以看出，冰在超疏水涂层表面的黏附强度 为了评估实际冰冻天气下的光热除冰性能。首
为 35.38 kPa，远低于玻璃表面的 216.35 kPa。这是 先，在–20 ℃，35%±5% 相对湿度的冷环境下，在
因为超疏水涂层表面的微纳粗糙结构在水滴接触界 不同样品表面形成厚度约为 3 mm 的冰层。然后，
面处形成气垫，结冰后相比于玻璃表面有着极小的 将覆冰的样品放在同样的冷环境下用模拟太阳光照
接触面积，因此冰在涂层表面的黏附强度大大减小。 射，结果见图 6。