采用水杯制冰结冰强度测试试验法进行试验。利用倒置的水杯将水固定于试样表面, 并将整体置于低温环境中进行冻结。将移除材料表面冰所需力的大小, 即结冰切向附着力, 作为评价指标衡量材料表面结冰附着强度。

为方便弹性涂层涂覆, 对基底材料应用激光雕刻机进行预处理。采用可程式恒温恒湿试验机LP-225U模拟-20 ℃冷环境。其主要技术参数如下:功率为5.8 kW, 温度范围为-40~150 ℃, 湿度范围为20%~80%。结冰切向附着力利用结冰切向附着力测试装置^[17]测得。

图1

Fig.1

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	图1 测试示意图Fig.1 Schematic diagram of test

图2

Fig.2

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	图2 激光雕刻机加工CAD图Fig.2 CAD drawing for laser engraving machining

测试所用铝杯(1080纯铝)内径为32 mm。设置未涂覆50 mm× 50 mm、厚度5 mm基底为对照组。实验组分别为在中央直径32 mm圆形范围内进行全涂覆、宽度5 mm条纹间隔涂覆、直径5 mm圆形部分涂覆的基底(见图2)。涂覆占空比分别为100%、50%、51.27%。

1.2.1 基底

为研究弹性涂层对不同材料基底结冰附着强度的影响, 本文选取性能差异较大的铝合金(6061)与聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)进行对比试验。其中, 金属导热性较好, 铝的导热系数为237 W/(m· K); 而非金属导热性较差, 纯PMMA树脂的导热系数为0.279 W/(m· K)^[18]。

1.2.2 弹性涂层

考虑材料的来源和成本等因素, 选择硫化硅橡胶与BOPP作为弹性涂层进行对比。

如表1所示, 从导热性来看, 硫化硅橡胶导热系数为0.2 W/(m· K)^[19], 而BOPP作为聚丙烯(PP)的一种, 其导热系数为0.21~0.26 W/(m· K), 两者相近。故选用硫化硅橡胶与BOPP作为弹性涂层进行对比, 可排除涂层自身导热性对基底表面结冰附着强度的影响。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 部分材料导热系数 Table 1 Thermal conductivity and density of materials 材料名称 导热系数/[ W· (m· K)-1] Al 190 硫化硅橡胶 0.2 聚丙烯 0.21~0.26 PMMA 0.279

表1 部分材料导热系数 Table 1 Thermal conductivity and density of materials

疏水性对材料表面结冰附着强度影响巨大。一般材料的疏水性可以根据接触角θ 来判断。由界面张力平衡方程Young式方程^[20]可知, 90° 为材料表面亲液疏液的分界线。

经调查发现^[21], 水滴在硫化硅橡胶和BOPP上接触角分别为100.3° ^[22]和100° , 二者相近。故选用硫化硅橡胶和BOPP作为弹性涂层进行对比, 以排除涂层自身疏水性对基底表面结冰附着强度的影响。

弹性模量是衡量材料抵抗变形能力的重要指标。硫化硅橡胶的弹性模量为1000 MPa^[23], 拉伸强度为1.1 MPa, 断裂伸长率为150%(GB/T 27570-2011)。本文采用南大705硅橡胶, 其拉伸强度为0.4 MPa, 伸长率为100%, 弹性模量为564.7 MPa。而BOPP的弹性模量约为2000 MPa, 拉伸强度为30 N· cm^-1, 断裂伸长率为180%。二者相差较大。故选用硫化硅橡胶和BOPP作为弹性涂层进行对比, 以探究涂层弹性对基底表面结冰附着强度的影响。部分BOPP物理机械性能要求见表2。

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 部分BOPP物理机械性能要求 Table 2 BOPP film’ s physical and mechanical properties 项目 测试标准 热封型 BOPP膜 BOPP 胶粘带膜 拉伸强度/(N· cm-1) QB/T2422-1998 — ≥ 30 弹性模量(纵向)/MPa GB/T12026-2000 ≥ 2000 — 断裂伸长率/% QB/T2422-1998 — 100~180

表2 部分BOPP物理机械性能要求 Table 2 BOPP film’ s physical and mechanical properties

1.2.3 试样制备

本文选取大小为50 mm× 50 mm、厚度为5 mm的铝合金板和PMMA板作为基底。加工前彻底清洁基底表面, 去除表面锈迹、杂质、油渍等, 并在待加工表面贴一层BOPP(厚度为0.2 mm)。利用激光雕刻机在基底待加工表面上分别加工直径为32 mm圆形、宽度5 mm条纹、直径5 mm圆形, 见图2。

对于涂覆BOPP的试样来说, 将基底表面多余的BOPP去除, 再次清洁基底表面, 除去杂质后即完成制备, 如图3所示。

图3

Fig.3

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	图3 BOPP涂覆试样Fig.3 Substrates coated with BOPP film

图4

Fig.4

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	图4 光滑试样及硫化硅橡胶涂覆试样Fig.4 Different substrates

如图4所示, 对于涂覆硫化硅橡胶的试样来说, 将胶液待涂覆位BOPP去除, 再次清洁基底表面, 除去杂质后, 需将硫化硅橡胶胶液挤到涂覆位上, 并使胶液表面与BOPP表面平齐。将涂覆硫化硅橡胶的基底置于空气中固化12 h(室温15 ℃, 湿度60%)后, 揭去多余的BOPP后即完成试样制备。

用酒精清洁试件表面及铝制水杯后, 将铝制水杯边沿涂抹少量防冻液, 并倒扣于试件表面(需注意, 铝制水杯应将涂层涂覆部位完全覆盖)。用针筒抽取10 mL自来水, 通过铝杯底部通孔注入铝杯中。然后, 将此整体置于可程式恒温恒湿试验机中, 设置温度为-20 ℃。恒温1 h后, 测量结冰切向附着力。

测试时, 将已完全冻结的试件放置于试件固定位, 利用试件固定夹夹紧试件, 并用铝杯拉环套住试件上方铝杯。启动电机使拉力计向远离试件方向移动, 至铝杯从试件上脱离。此时, 拉力计上所显示的峰值即为材料表面结冰切向附着力。

本文试验以6次为一组。三组试验后, 部分试样涂层会发生损坏, 故每三组试验后重新制作试样。每组的测试结果均去掉数据最大值和最小值, 然后求剩余数据的算术平均值。

2.1.1 铝合金试验结果

图5为未涂覆铝合金基底与涂覆硫化硅橡胶涂层铝合金基底结冰切向附着力比较图。由图可见, 铝合金基底表面涂覆硫化硅橡胶后, 基底表面结冰附着强度明显减少。未涂覆时, 结冰切向附着力约为53.97 N; 涂覆后, 结冰切向附着力约为13.41 N。

图5

Fig.5

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	图5 铝合金基底未涂覆与涂覆结冰切向附着力比较图Fig.5 Tangential adhesion strength of Al substrate

图6为硫化硅橡胶部分涂覆、BOPP部分涂覆及未涂覆铝合金基底结冰切向附着力对比图。由图可知, BOPP涂覆铝合金基底表面的结冰切向附着力为60 N(条纹)、57.62 N(圆形), 空白铝合金基底结冰切向附着力为53.08 N, 硫化硅橡胶涂覆铝合金基底表面的结冰切向附着力为34.13 N(圆形)、37.04 N(条纹)。铝合金基底表面部分涂覆硫化硅橡胶后, 结冰切向附着力较未涂覆时小, 涂覆BOPP后结冰切向附着力有所增加。

图6

Fig.6

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	图6 硫化硅橡胶与BOPP涂覆铝合金基底结冰切向附着力对比图Fig.6 Tangential adhesion strength of Al substrate with different coatings

2.1.2 PMMA试验结果

图7为涂覆硫化硅橡胶的PMMA基底与未涂覆基底结冰切向附着力比较图。由图可见, 涂覆涂层后, PMMA基底表面结冰切向附着力明显减少。涂覆后, 附着力约为23.125 N; 而未涂覆时, 附着力约为31.563 N。

图7

Fig.7

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	图7 PMMA基底未涂覆与涂覆结冰切向附着力比较图Fig.7 Tangential adhesion strength of PMMA substrate

对比不同基底涂覆前、后切向附着力变化发现(见表3), 硫化硅橡胶涂层涂覆后铝合金基底和PMMA基底切向附着力均有所降低, 并且铝合金基底切向附着力下降程度较大。

由此可以看出, 由硫化硅橡胶全涂覆形成的弹性涂层具有降低基底表面结冰附着强度的作用, 但基底自身材料特性(如导热性)会对其作用效果产生影响。

表3

Table 3

表3(Table 3)

表3 不同基底全涂覆前、后切向附着力变化情况 Table 3 Tangential adhesion of different substrates 基底 未涂覆切向 附着力/N 全涂覆切向 附着力/N 切向附着力 下降程度/% 铝 53.97 13.41 75.15 PMMA 31.56 23.13 26.73

表3 不同基底全涂覆前、后切向附着力变化情况 Table 3 Tangential adhesion of different substrates

对比硫化硅橡胶与BOPP涂覆后切向附着力变化发现, 不同弹性涂层对结冰切向附着力的影响不同。按直径5 mm圆形与宽度5 mm条纹状涂覆, BOPP使铝合金基底表面结冰切向附着力增加, 增加约13.04%、8.55%; 硫化硅橡胶使铝合金基底表面结冰切向附着力下降, 下降约30.22%、35.70%。

BOPP与硫化硅橡胶疏水性相近、导热性相似, 但弹性模量、拉伸强度、伸长率等差别较大。试验证明, 弹性模量较小的硫化硅橡胶减少结冰切向附着力效果较BOPP好。在同一作用力下, 基底表面弹性模量小, 应力所对应的应变量更大。当水结冰相变时, 高弹性涂层可利用水结冰相变膨胀现象使冰基界面产生细微分离, 进而有效地减少冰基界面面积, 削弱冰基界面强度。因此, 利用高弹性(即弹性模量较小)涂层改变材料表面弹性对减少基底表面结冰附着强度有积极作用。所以, 可以通过提升材料表面弹性降低材料表面结冰附着强度。

在铝合金基底表面部分涂覆硫化硅橡胶后, 虽然结冰切向附着力有所下降, 但下降程度均小于全涂覆。由表4可知, 弹性系数较小、冰基界面面积较大的条纹状涂覆后, 基底表面结冰附着强度下降程度比弹性系数较大的圆形涂覆略小; 弹性系数较小、冰基界面面积一致的硫化硅橡胶涂覆后, 基底表面结冰附着强度下降程度比弹性系数较大的BOPP涂覆后大。

表4

Table 4

表4(Table 4)

表4 不同涂覆形状特征及结冰切向附着力情况 Table 4 Tangential adhesion under different coated shapes 参数 条纹状宽度 5 mm 圆形直径 5 mm 涂覆面积/mm2 401.92 412.13 冰基界面面积/mm2 837.25 804.25 硫化硅橡胶弹性系数/(1012 N· mm-1) 2.01 2.06 BOPP弹性系数/(1012 N· mm-1) 5.22 5.36 硫化硅橡胶结冰切向附着力/N 37.04 34.13 BOPP结冰切向附着力/N 60.00 57.62

表4 不同涂覆形状特征及结冰切向附着力情况 Table 4 Tangential adhesion under different coated shapes

基底表面各处弹性不同会破坏冰基界面的连续性与稳定性, 使相变产生的膨胀力作用于冰基界面, 造成冰基分离。但部分涂覆涂层后会增加冰基界面面积, 从而增大结冰附着强度。