ZnO超疏水表面材料用于路面抗凝冰技術(shù)性能研究

李月光 許榮華 伊?xí)鴩?guó)

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院 武漢 430063)

0 引 言

路面凝冰是我國(guó)西南高原山區(qū)公路冬季常見(jiàn)的一種自然災(zāi)害，它在路面表面生成一層薄冰，但并不完全覆蓋路面，當(dāng)發(fā)生凝冰災(zāi)害時(shí)，道路可以正常使用，只是由于凝冰的存在，導(dǎo)致路面的摩擦系數(shù)明顯減小，車(chē)輛行駛過(guò)程中容易發(fā)生打滑[1].特別是在高速公路上，由于凝冰災(zāi)害的難察覺(jué)性，遇到凝冰時(shí)，司機(jī)對(duì)車(chē)輛較難控制，易發(fā)生交通事故，嚴(yán)重影響行車(chē)安全.

由于凝冰是黏附在道路表層的一層薄冰[2]，所以除凝冰技術(shù)就不同于一般的除冰雪技術(shù).選擇采用除冰機(jī)械[3]對(duì)于路面凝冰不但難以奏效而且除冰機(jī)械對(duì)路面會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的磨損；目前使用最多的是撒布除冰鹽來(lái)除路面凝冰，但問(wèn)題是當(dāng)除冰鹽融化后，鹽中含有的氯離子會(huì)嚴(yán)重的腐蝕路面，影響道路的使用壽命，同時(shí)對(duì)環(huán)境具有較大的破壞[4].為此，研究和開(kāi)發(fā)一種環(huán)保、對(duì)路面損害不大的主動(dòng)抗凝冰技術(shù)尤為重要.

全新超疏水材料[5]，因其能延遲、降低甚至完全阻止雪、冰、霜在固體表面的堆積[6-7]，降低冰的黏附強(qiáng)度、延遲冰的增長(zhǎng)等優(yōu)越性能，已被應(yīng)用于輸電通信線(xiàn)路[8-9]、航空設(shè)備[10]等設(shè)施的防冰除冰技術(shù)上.近幾年，越來(lái)越多的學(xué)者開(kāi)始研究超疏水材料在道路交通領(lǐng)域的應(yīng)用.Ismael等[11-13]在混凝土表面上制備了不同種類(lèi)的超疏水涂層，測(cè)試了涂層的接觸角、滾動(dòng)角，并且Arabzadeh對(duì)瀝青混凝土表面的水接觸角、抗滑性能、黏附力等方面進(jìn)行了研究，測(cè)試結(jié)果表明超疏水材料使混凝土防水、自清潔都成為現(xiàn)實(shí)；Rao[14]制備了一種路面超疏水涂層并對(duì)此涂層進(jìn)行了結(jié)冰性和疏冰性研究，結(jié)果表明，具有傾斜角時(shí)，水滴可以輕易滾落，延緩了結(jié)冰時(shí)間從而減少了結(jié)冰量.

本文使用溶膠-凝膠法[15]在納米氧化鋅顆粒表面構(gòu)建微-納米級(jí)粗糙結(jié)構(gòu)，制備出具有超疏水性質(zhì)的納米氧化鋅溶液，并將其噴涂于路面表面，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)其抗凝冰技術(shù)性能進(jìn)行試驗(yàn)研究.

1 ZnO超疏水表面材料制備

1.1 超疏水材料制備

將硬脂酸溶解于無(wú)水乙醇中，配制出硬脂酸的無(wú)水乙醇溶液，再將ZnO納米顆粒加入到硬脂酸的無(wú)水乙醇溶液中，磁力攪拌3 h，利用簡(jiǎn)單的液相反應(yīng)使低表面能物質(zhì)硬脂酸實(shí)現(xiàn)對(duì)納米氧化鋅顆粒的修飾，這樣就可以獲得硬脂酸鋅，對(duì)硬脂酸的低表面能長(zhǎng)烷基進(jìn)行處理，從而與親水的ZnO納米顆粒的表面實(shí)現(xiàn)鏈接，這樣其疏水性將表現(xiàn)更加優(yōu)異.攪拌過(guò)程中會(huì)發(fā)現(xiàn)溶液顏色逐漸發(fā)生變化，最終攪拌完成后得到的溶液接近乳白色，然后過(guò)濾，烘干，研磨得到疏水的納米ZnO顆粒.將此疏水的納米ZnO顆粒按照一定比例加入到無(wú)水乙醇溶液中利用磁力攪拌器攪拌30 min，得到需要的疏水溶液.

利用噴筆將ZnO的無(wú)水乙醇懸浮液均勻地噴涂于載玻片，噴涂成膜，樣品在室溫下自然晾干，總共制備了三個(gè)樣品.將制備完成的載玻片進(jìn)行接觸角試驗(yàn)，通過(guò)光學(xué)接觸角測(cè)量?jī)x，取5 μL蒸餾水作為探測(cè)液，對(duì)每個(gè)樣品測(cè)量時(shí)，測(cè)點(diǎn)總共為三個(gè)，取其均值，將其作為靜態(tài)接觸角.然后進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果表明在接觸角方面要高于150°，達(dá)到疏水性的要求.

1.2 超疏水路面涂層的處理

由實(shí)驗(yàn)可知先刷涂后噴涂的復(fù)合處理方法是路面材料被動(dòng)接受超疏水材料最好的方法.主要流程是清除試件表面灰塵、油污等不利于噴涂的污染物，清洗并干燥后，實(shí)施刷涂處理，試件與液態(tài)超疏水溶液充分接觸，然后使用氣泵噴筆噴涂.

在刷涂施工的階段，軟刷或毛刷的規(guī)格尺寸較多，有著非常強(qiáng)的適用性，同時(shí)對(duì)于涂料的消耗比較少，能夠覆蓋一些特殊以及狹窄區(qū)域.使用氣泵噴筆進(jìn)行噴涂作業(yè)，見(jiàn)圖1，在施工的過(guò)程中，噴筆閥門(mén)大小和噴涂速率需要控制得當(dāng)，避免徑流的產(chǎn)生，保證噴涂均勻.施工3遍之后，將其放在室溫環(huán)境中進(jìn)行干燥，保證其具有超疏水性.

圖1 超疏水涂料噴涂過(guò)程

2 ZnO超疏水表面抗凝冰性能試驗(yàn)

2.1 抗滑性能試驗(yàn)

路面的抗滑性能具體是車(chē)輛輪胎在制動(dòng)操作的過(guò)程中，順著表面滑移時(shí)所出現(xiàn)的力，通過(guò)該指標(biāo)能夠了解到路面表面所具有的粗糙特性，主要使用摩阻系數(shù)來(lái)進(jìn)行表示.由文獻(xiàn)[16]可知，通過(guò)擺式摩擦系數(shù)測(cè)定儀測(cè)定路面在潮濕條件下對(duì)擺的摩擦阻力，以及電動(dòng)鋪砂儀測(cè)試路面表面的構(gòu)造深度.試驗(yàn)?zāi)＞叱叽鐬?50 mm×350 mm×50 mm，為清楚了解ZnO超疏水材料對(duì)抗滑性能的影響，將使用模具制作出三種不同表面紋理的水泥混凝土試件，分別為抹平、拉毛、光面刻槽混凝土板，見(jiàn)圖2.

圖2 試驗(yàn)?zāi)＞吲c試件

路面抗滑性能影響因素比較多，像路表浮漿厚度、材料級(jí)配等.若表面沒(méi)有磨耗，此時(shí)影響因素則為砂漿、紋理.所以不會(huì)特別要求材料制作，試件制備不能存在技術(shù)性質(zhì)的差異，這樣試驗(yàn)誤差能夠得到有效的控制.制備完成后的一批試件采用刷涂與噴涂結(jié)合的方法，制作出滿(mǎn)足要求的超疏水組試件.擺式儀測(cè)定擺值時(shí)將未經(jīng)超疏水處理的試件做參照組，分別測(cè)定參照組和超疏水組在室內(nèi)環(huán)境下的擺值大小和構(gòu)造深度.所得結(jié)果見(jiàn)表1～3.

表1 抗滑性能試驗(yàn)值(抹平路面)

表2 抗滑性能試驗(yàn)值(拉毛路面)

表3 抗滑性能試驗(yàn)值(刻槽路面)

由表1～3可知，拉毛成型和刻槽成型存在著非常大的板面擺值和構(gòu)造深度，原因如下：在拉毛和刻槽成型的階段，出現(xiàn)了非常多的細(xì)觀(guān)紋理；不同紋理表面的試件經(jīng)過(guò)氧化鋅超疏水涂層處理后，其擺值均有一定程度的增大，最大達(dá)到了17.1%，試驗(yàn)結(jié)果表明，氧化鋅超疏水表面材料提高了路面的抗滑性能；然而構(gòu)造深度變化不大，大概是涂層厚度影響有限，在路面結(jié)構(gòu)中，涂層材料沒(méi)有足夠深入.為了更直觀(guān)的表明摩擦系數(shù)的大小變化，繪制出不同表面紋理試件的比較圖，見(jiàn)圖3.

圖3 不同表面紋理試件的摩擦系數(shù)

2.2 疏水性能試驗(yàn)

在普通試件和經(jīng)過(guò)ZnO超疏水涂層處理后的試件表面灑水，進(jìn)行疏水性能觀(guān)察分析，見(jiàn)圖4.

圖4 液滴示意圖

由圖4可知，液滴在超疏水試件表面未鋪展開(kāi)，呈圓球狀，稍微將試件傾斜，液滴即可從試件表面滾走.而液滴在普通試件表面可自由鋪展，幾乎會(huì)全部覆蓋和潤(rùn)濕接觸的試件面積.顯然，經(jīng)過(guò)ZnO超疏水材料處理后的表面已經(jīng)具備良好的超疏水性能.

2.3 延緩結(jié)冰試件測(cè)試

在低溫環(huán)境中，深入研究ZnO超疏水材料所出現(xiàn)的結(jié)冰行為，將試件的一半用ZnO超疏水材料處理一半未處理，處理完成后的試件放入一個(gè)普通冰箱中，設(shè)置溫度為-20℃，然后分別將一定量的水撒到試件表面，在2種差異化表面中，比較觀(guān)察水滴所出現(xiàn)的結(jié)冰行為.見(jiàn)圖5.

圖5 水滴在不同表面上的結(jié)冰狀態(tài)

圖5上側(cè)為普通試件表面，下側(cè)為經(jīng)超疏水處理后的試件表面.圖5a)為水滴在試件表面的初始狀態(tài)，此時(shí)水均呈液態(tài)鋪展在試件表面，但是經(jīng)超疏水材料處理后的試件表面上的水滴明顯接觸角非常大.在300 s后，普通表面出現(xiàn)結(jié)冰的情況，超疏水表面沒(méi)變化.圖5c)中，在780 s超疏水表面的水滴才有變化，出現(xiàn)結(jié)冰狀況.試驗(yàn)證明該材料表面能夠讓靜態(tài)水滴延緩結(jié)冰，原因是其上的水滴呈cassie-baxter狀態(tài)，水滴懸于粗糙的表面結(jié)構(gòu)上，減少水滴與涂層表面的接觸面積，水不容易黏附.

2.4 ZnO超疏水表面材料疏冰性能測(cè)試

2.4.1除冰試驗(yàn)

在特定高度，使用砝碼對(duì)試件表面進(jìn)行敲擊，保證一樣的次數(shù)，分析其中的除冰效果，并測(cè)定完全清除冰塊的次數(shù)，對(duì)比除冰的難易程度.具體試驗(yàn)步驟：取試件放入冰箱，在試件表面人工噴灑適量的水冷凍2 h;②將試件統(tǒng)一放在水平地面上，讓砝碼從50 cm的高度處自由下落；③觀(guān)察下落50次后的除冰情況.按照上述試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果見(jiàn)圖6.

圖6 試件表面情況

圖6a)左側(cè)是超疏水表面，右側(cè)為普通試件表面.不同試件表面的結(jié)冰現(xiàn)象并不相同，超疏水表面的冰比普通試件表面的冰更加圓潤(rùn)立體，其原因在于普通試件表面是多孔且親水的，水分更容易深入試件內(nèi)部的空隙中，而且更容易鋪展開(kāi).而在超疏水試件表面中，界面間氣體較多，這種情況下水分就無(wú)法滲透到其中，并且水與超疏水表面接觸角更大，因此結(jié)冰現(xiàn)象不同.

圖6b)為除冰后的情況，超疏水試件表面的冰進(jìn)行30次敲擊處理后，該試件表面的冰基本清除，且除冰效果好，接觸面較為完整，沒(méi)有出現(xiàn)太多的痕跡，這間接說(shuō)明了超疏水涂層能有效減少水分進(jìn)入試件內(nèi)部，結(jié)冰現(xiàn)象發(fā)生在路面表面，因此更容易除冰，即使采用機(jī)械除冰也會(huì)減少對(duì)路面材料的破壞.而普通試件表面經(jīng)過(guò)50次敲擊后仍存在大量冰塊，因?yàn)槠胀ㄋ嗷炷猎嚰砻婵障兑诐B入水分，結(jié)冰現(xiàn)象發(fā)生在試件內(nèi)部和表面且形成貫通，因此除冰更加困難.

2.4.2黏結(jié)力試驗(yàn)

冰與路面之間的黏結(jié)力，直接決定了涂層疏冰性能是否有效.通過(guò)查詢(xún)文獻(xiàn)選定用劈裂試驗(yàn)來(lái)測(cè)定冰與路面之間的黏結(jié)力大小.步驟具體如下:①將超疏水試件、普通試件(規(guī)格均為70 mm×70 mm×70 mm)安置在鋼模中，使用塑料薄膜將其隔開(kāi)，兩邊保留30 mm的空隙;②添加水到空隙中，充滿(mǎn)，水與試驗(yàn)面直接接觸，此后將其轉(zhuǎn)移到冰箱中，等候5 h，形成了兩個(gè)100 mm×70 mm×70 mm規(guī)格的結(jié)冰試件，見(jiàn)圖7;③將其轉(zhuǎn)移到劈裂試驗(yàn)儀器中，兩端放置橡膠墊條，然后使用儀器進(jìn)行加壓處理，當(dāng)其劈裂后終止操作，整個(gè)過(guò)程中操作詳見(jiàn)圖8.

圖7 結(jié)冰試件 圖8 劈裂試驗(yàn)示意圖

進(jìn)行劈裂試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)普通試件的斷裂面并不在冰與試件之間，而是冰塊發(fā)生破裂，大小平均為1.25 kN，但實(shí)際冰與水泥混凝土表面的黏結(jié)力大于此數(shù).此實(shí)驗(yàn)過(guò)程中存在缺陷，劈裂加壓時(shí)不能保證壓力加壓在冰與試件的界面處，橡膠墊條雖然有應(yīng)力集中作用，但墊條導(dǎo)致試件傾斜.對(duì)于超疏水試件，得到的劈裂最大值為0.96 kN，雖然試驗(yàn)缺陷未準(zhǔn)確測(cè)出冰與超疏水涂層間的黏結(jié)力，但根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)也可得出：超疏水涂層有效地降低了冰與路面之間的黏結(jié)力，降低了除冰難度.

3 結(jié) 論

1) 水泥混凝土試件經(jīng)ZnO超疏水表面材料處理后，其摩擦系數(shù)有一定程度的提高，最大可增大17.1%，這對(duì)提高路面的抗滑性能是有作用的.

2) 相比非超疏水水泥混凝土試件，水滴在超疏水試件表面表現(xiàn)出良好的疏水性能；冰與超疏水試件間的黏結(jié)力較小，有效降低了除冰難度.

3) 試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)ZnO超疏水涂層的耐久性并不可觀(guān)，刷涂在路面后會(huì)在車(chē)輪碾壓、雨水沖刷等外界條件下發(fā)生磨損，降低其超疏水性能.在后續(xù)研究中，應(yīng)著重就超疏水涂料的耐久性問(wèn)題展開(kāi)進(jìn)一步研究.

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