CN217508240U - 一种基于沟槽织构的表面防冰结构 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种基于沟槽织构的表面防冰结构，用以解决现有技术存在的冬天低温条件下室外的电力输出线路或户外管道容易结冰的问题。一种基于沟槽织构的表面防冰结构，管状基体和设置于管状基体外表面的沟槽织构体，沟槽织构体沿着管状基体的轴向呈螺旋状延伸或平行的多圈沟槽，沟槽织构体全面覆盖于管状基体外表面，液体与沟槽织构体接触时相互之间的接触角大于90°，使得沟槽织构体在管状基体的外表面形成疏水层。沟槽织构体沿着管状基体的轴向呈螺旋状延伸或平行的多圈沟槽，沟槽织构体全面覆盖于管状基体外表面，全面覆盖有效避免管状基体结冰，呈螺旋状延伸使得沟槽织构体规律分布，方便生产制造。
Description
技术领域
本申请涉及管体结构的表面处理领域，具体涉及一种基于沟槽织构的表面防冰结构。
背景技术
结/覆冰是一种自然现象，但对于电力传输、通信、能源、交通等众多领域而言，覆冰后却常常给人们正常生活带来诸多不便，甚至引起严重的安全事故以及重大的经济损失。例如，输电导线、输电装备及风电叶片等均面临冻雨覆冰带来的严峻挑战，高铁动车测速雷达、飞机发动机也面临低温水汽结冰的难题。
以电力传输领域为例，我国是输电线路覆冰严重的国家，线路覆冰事故发生的概率居世界前列。随着西部大开发中水电资源建设规模的扩大，超长距离输电很可能要穿越高寒、高湿及高海拔地区，线路覆冰灾害问题将更加突出，输电线路的防冰、除冰技术已成为西电东送工程中的关键技术之一。
国内外传统除冰技术可大体划分为四类：机械除冰法、热力除冰法、自然被动法以及其他除冰法。机械除冰法是指使用机械外力使物体表面覆冰脱落的除冰方法。其中，人工除冰法最为常见，也是我国目前最主要的除冰方法之一，该方法主要通过人工敲落冰块，具有操作简便、适用范围广等优点，但该方法效率低、成本高、且作业危险、存在严重的安全隐患。国外也有报道利用滑轮铲刮技术，即通过地面操作人员拉动一个滑轮来铲除导线上的覆冰，一定程度上能够弥补人工手动除冰的局限，但该方法工作强度大、效率低，同样也易受地形限制。此外，当覆冰位置较高、人工难以接触到时，也会使用直升飞机或者猎枪来击落冰块，该方法危险性较高。机械除冰法通常既不安全也不高效。
热力除冰法是指通过外加热量来融化材料表面覆盖的冰晶。该方法在电力传输领域输电导线除冰中较为常用。热力除冰法主要包括短路电流融冰、过电流融冰法、直流融冰三种方法。其中，短路电流融冰是将单相、二相或三相导线相短路、形成短路电流来加热导线，使其表面覆冰融化；过电流融冰是在线路导线或地线上通以高于正常电流密度的传输电流，获得焦耳热来实现融冰；直流融冰是通过直流电源对覆冰线路施加低电压和短路电流，导线被加热后覆冰融化。总的来说，热力除冰法对热源要求较高、且能耗大、成本高、需要停电，因此，实际操作难度较大、推广使用也很受限。
自然被动除冰法是指依靠风、重力、辐射、散射和温度变化等自然条件脱冰。该方法无需外加能量、也能在一定程度上限制冰灾。例如，通过平衡重量、添加防冰(雪)环等，尽管这些技术可加速覆冰的脱落，但通常只对特殊条件下、特定的冰晶种类发挥作用，例如强风条件下有助于促进低密度雾凇冰晶的脱附。除了上述三类除冰方法，近年来，国内外研究人员还开发了电磁除冰法、机器人除冰法、激光除冰法、超声波除冰法但这些方法仍然只能用于局部除冰，还无法大面积应用。目前国内外传统的除冰、融冰技术多是被动除冰，且以大量能耗为代价，均无法从根本上有效解决实际工程领域面临的覆冰难题。
发明内容
为此，本申请提供一种基于沟槽织构的表面防冰结构，以解决现有技术存在的冬天低温条件下室外的电力输出线路或户外管道容易结冰的问题。
为了实现上述目的，本申请提供如下技术方案：
一种基于沟槽织构的表面防冰结构，包括：管状基体和设置于管状基体外表面的沟槽织构体，所述沟槽织构体沿着管状基体的轴向呈螺旋状延伸或平行的多圈沟槽，沟槽织构体全面覆盖于管状基体外表面，液体与沟槽织构体接触时相互之间的接触角大于90°，使得沟槽织构体在管状基体的外表面形成疏水层。
可选地，所述沟槽织构体与其表面的液体接触角大于150°，使得沟槽织构体在管状基体的外表面形成超疏水层。
可选地，所述沟槽织构体通过激光加工法制备，选取脉冲激光。
可选地，所述沟槽织构体通过一步喷涂法工艺固化于管状基体的外表面。
可选地，所述沟槽织构体的基础材料为聚四氟乙烯或四氟乙烯。
可选地，所述沟槽织构体的沟槽最大宽度为20μm，沟槽最大深度为15μm，沟槽最大间距为40μm。
可选地，所述沟槽织构体的沟槽横截面是矩形、梯形、三角形或圆弧形。
相比现有技术，本申请至少具有以下有益效果：
1、沟槽织构体沿着管状基体的轴向呈螺旋状延伸或平行的多圈沟槽，沟槽织构体全面覆盖于管状基体外表面，全面覆盖有效避免管状基体结冰，呈螺旋状延伸或平行的多圈沟槽使得沟槽织构体规律分布，方便生产制造，沟槽织构体在管状基体的外表面形成疏水层，其与表面的液体接触角大于90°。理论上液体在固体表面静止不动时的接触角(WCA)，是描述固体表面润湿性的基本参数。它的大小直接决定了表面润湿性的大小，当接触角小于90°时，固体表面为亲水；当接触角大于90°时，固体表面为疏水；当接触角超过150°时，固体表面为超疏水。
2、沟槽织构体通过激光加工法制备，选取高能量密度的脉冲激光。脉冲激光具有极高的峰值功率和极短的脉冲宽度，与材料发生接触后会使材料表面迅速升温，在接触区域发生物理或者化学变化，容易在各种固体表面进行加工，如聚合物材料、金属表面等，因此被广泛应用于织构表面微纳结构。相比于其他方法，激光加工具有效率高、设备简单、加工成本低以及材料适应性强等优点。
附图说明
为了更直观地说明现有技术以及本申请，下面给出示例性的附图。应当理解，附图中所示的具体形状、构造，通常不应视为实现本申请时的限定条件；例如，本领域技术人员基于本申请揭示的技术构思和示例性的附图，有能力对某些单元(部件)的增/减/归属划分、具体形状、位置关系、连接方式、尺寸比例关系等容易作出常规的调整或进一步的优化。
图1为本申请实施例整体结构示意图；
图2为本申请实施例Young’s模型方程示意图；
图3为本申请实施例Wenzel模型方程示意图；
图4为本申请实施例荷叶效应结构示意图；
图5为本申请实施例一步喷涂法工艺示意图；
附图标记说明：
1、管状基体；2、沟槽织构体；3、固体；4、液体；5、气体。
具体实施方式
以下结合附图，通过具体实施例对本申请作进一步详述。
在本申请的描述中：除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。本申请中的术语“第一”、“第二”、“第三”等旨在区别指代的对象，而不具有技术内涵方面的特别意义(例如，不应理解为对重要程度或次序等的强调)。“包括”、“包含”、“具有”等表述方式，同时还意味着“不限于”(某些单元、部件、材料、步骤等)。
本申请中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”等的用语，通常是为了便于对照附图直观理解，而并非对实际产品中位置关系的绝对限定。在未脱离本申请揭示的技术构思的情况下，这些相对位置关系的改变，当亦视为本申请表述的范畴。
实施例
如图1所示，一种基于沟槽织构的表面防冰结构，包括：管状基体1和设置于管状基体外表面的沟槽织构体2，沟槽织构体2沿着管状基体的轴向呈螺旋状延伸(或平行的多圈沟槽)，沟槽织构体2全面覆盖于管状基体1外表面，沟槽织构体2在管状基体1的外表面形成疏水层，其与表面液体的接触角大于90°，当接触角大于150°，使得沟槽织构体2在管状基体1的外表面形成超疏水层。沟槽织构体2的沟槽最大宽度为20μm，沟槽最大深度为15μm，沟槽最大间距为40μm。
理论上液体4在固体3表面静止不动时的接触角(WCA)，是描述固体3表面润湿性的基本参数。它的大小直接决定了表面润湿性的大小，当接触角小于90°时，固体3表面为亲水；当接触角大于90°时，固体3表面为疏水；特别当接触角超过150°时，固体3表面为超疏水。
如图2所示，从表面张力分析，在理想光滑的表面上，当液滴在固体3表面达到平衡状态时，由于界面张力在水平方向的分力平衡(Young’s模型)。
Young’s方程：cosθ0＝(γSA-γSL)/γLA
其中θ0表示光滑表面的接触角，γSA，γLA分别表示固体3和液体4表面的表面张力，γSL表示固液界面的界面张力。
如图3所示，实际表面通常为粗糙表面，亲水表面完全浸润时(Wenzel模型)。
Wenzel方程：cosθW＝r(γSA-γSL)/γLA＝r cosθ0
其中θ0表示本征接触角(Young’s接触角)，θW表示表观接触角(Wenzel接触角)。方程中引入了一个对表面粗糙度进行描述的粗糙度影响因子r，代表实际表面积与投影面积的比值且r>1。而当r＝l时，说明固体表面是处于理想状态完全光滑的表面，如果粗糙表面的凹槽内有气体5滞留，表面上液体4位于由基体和气体5组成的复合表面上，不能够填满凹槽，表面由固、气两相组成，因而形成复合接触(Cassie-Baxter模型)。
如图4所示(荷叶效应)，此时液滴的实际接触面积由液滴与固体基底的接触面积以及液滴与凹槽中滞留空气的接触面积两部分组成。其中液滴与空气的本征接触角为cosθCB＝180°。
达到平衡时的表观接触角：cosθCB＝fSLcosθ0+fSL-1
其中fSL表示固/液接触面积所占的百分数。
制备超疏水表面的沟槽织构体2的固体材料主要有碳氟化合物、硅酮类薄膜等一些有机材料(聚四氟乙烯或四氟乙烯)。例如，通过在硅晶片上喷涂含有碳纳米管和聚四氟乙烯(PTFE)树脂来制造具有分层结构的超疏水薄膜，这种超疏水薄膜具有很强的耐磨性，在50g/cm的压力下研磨500次后，表面仍能保持超疏水性。利用超快激光，在模板上织构微纳米结构，并利用硅酮类物质聚二甲基硅氧烷(PDMS)直接复制，来制备超疏水表面，这种方法制备的表面具有大于154°的接触角。
沟槽织构体通过激光加工法制备，选取高能量密度的脉冲激光。其制备过程为：
首先使用砂纸对管状基体1进行抛光清洗，再将抛光后的管状基体1放进盛有无水乙醇的超声波清洗机中进行超声清洗，用去离子水冲洗表面残留的无水乙醇并晾干，得到光滑表面。使用1064nm脉冲光纤激光器对样品进行加工，在管状基体1的光滑表面织构微结构，获得周期性微结构表面，使用的超声清洗设备其超声波功率为80W，超声波频率为40KHz，最大容量2L。制备过程中使用的仪器型号为超声波清洗机的型号JP－010T，脉冲光纤激光器的型号WE－FM－30W，加热板的型号C－MAGHP10。可选用不同的激光探头使得沟槽织构体的沟槽横截面是矩形、梯形、三角形或圆弧形。
制备后可使用接触角测量仪对管状基体1表面的接触角和滚动角进行测量，使用座滴法对水滴在样品表面的静态接触角进行测量，选用拟合法对液滴轮廓进行拟合，水滴体积设为6uL。测量接触角时，将液滴随机滴在样品表面的5个不同位置，对这五个位置的静态接触角进行测量，并计算平均值作为样品表面液滴的静态接触角。测量滚动角时，使用旋转平台改变样品表面倾斜角，同样将6uL的液滴滴在样品表面，如果液滴不发生滚动，则继续增大倾斜角，直至液滴刚好发生滚动，此时样品的倾斜角即为滚动角。
激光在材料表面形成微结构的过程涉及气态、液态、固态及等离子态的相互转变。激光具有高能量密度，作用在材料表面会使材料温度迅速升高，材料也会逐渐由固体变成液态，当温度继续升高，材料会被气化。在气化点上继续加热会形成等离子体，并出现反冲效应。因此在激光束经过的表面，材料会被挤出，形成凹陷区域。脉冲激光停止后，这些液化或者气化的材料冷凝成固态，重新回到材料表面，形成一些凸起的微结构，而等离子体也会随机分布在材料表面，形成更小的微结构。
激光加工法是一种常见的制备超疏水表面的方法，可以利用具有高能量密度的脉冲激光在材料表面织构周期性结构。脉冲激光具有极高的峰值功率和极短的脉冲宽度，与材料发生接触后会使材料表面迅速升温，在接触区域发生物理或者化学变化，容易在各种固体表面进行加工，如聚合物材料、金属表面等，因此被广泛应用于织构表面微纳结构。
第二种激光加工法是利用飞秒激光在PTFE材料织构一种粗糙的微结构来制备超疏水表面，这种超疏水表面在强酸、强碱和高温环境下也具有很强的超疏水性能。相比于其他方法，激光加工具有效率高、设备简单、加工成本低以及材料适应性强等优点。
沟槽织构体2也可以通过一步喷涂法工艺制备和固化于管状基体的外表面。
一步喷涂法工艺为：
将悬浮法合成的聚四氟乙烯(PTFE)粉(直径<10μm)，加入一定体积的混合溶剂乙醇、蒸馏水和异丁醇，再添加一定量的10wt.％非离子表面活性剂聚氧化乙烯基辛烷基酚醚(octyphenol polyoxyethylene ether:C8H17-Ph-O(C2H4O)n H,n～10)和0.5M碳酸铵溶液，于超声波仪中超声分散30min，获得水溶性PTFE乳液(O/W emulsion)。聚苯硫醚树脂作为粘结剂，于一定体积乙醇-丁醇分散体系(乙醇:丁醇:水:表面活性剂＝3:2:4:1)溶剂中超声混合形成聚苯硫醚(PPS)分散液。将一定体积的水溶性PTFE乳液与PPS分散液充分混合，并在超声波仪中超声处理10分钟，即制备出PTFE或PPS材料沟槽织构体2，将制备的PTFE或PPS沟槽织构体2喷涂于砂纸打磨且经丙酮超声清洗、晾干的管状基体1，喷涂时加压气源氮气气压为0.2MPa。涂层固化条件是在150℃及380℃下分别保持1h—1.5h，然后随炉自然冷却或淬水冷却(2～10℃急速降温冷却)。
其工艺流程如图5所示，利用该喷涂固化工艺，制备出聚四氟乙烯或聚苯硫醚(PTFE或PPS)超疏水或疏水涂层。选取聚四氟乙烯(PTFE)、聚苯硫醚(PPS)等，利用一步喷涂法，使化学组分梯度分布，使低表面能活性组分(-CF3)在表面富集，粘结相在管状基体1和沟槽织构体2界面富集，获得了膜基结合力高且具有织构的PTFE/PPS仿荷叶超疏水涂层(WCA＝165°，WSA＝3～4°)，该涂层具有基材普适性以及优异的耐介质性，且其长期暴露于空气中，显示出良好的实际工程应用性。通过一步喷涂法工艺制备沟槽织构体2，工艺较简单，且样件的基材、尺寸、形状不受限制，显示出良好的工程适用性。
沟槽织构体在管状基体表面可形成一层疏水表面，该疏水表面具有一定的防冰功能，其防冰机理为：
(1)空气垫的隔热作用。微织构中可存储一定体积的空气，位于水滴下方，在固体和水滴之间形成空气垫，即一层隔热空气层，起到减少空气和固体表面之间的热量交换作用，从而延迟结冰。
(2)疏水表面使冰层在固体表面的粘附力下降。冰层形成时，由于粘附力下降，结冰层会及时转移，有利于抑制结冰。
(3)空气垫使冰层产生应力集中。固体表面即使发生结冰现象，微织构中的空气垫仍然存在，此时空气垫会对冰层造成压力，冰层产生应力集中，只需较小的外作用力即可去除冰层(相对无织构表面)。
(4)减小冰层成核率。微织构能减小固体/水滴接触面积，使液滴的成核能量壁垒非常大，减小冰层成核率，起到防止结冰的效果。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合(只要这些技术特征的组合不存在矛盾)，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述；这些未明确写出的实施例，也都应当认为是本说明书记载的范围。
上文中通过一般性说明及具体实施例对本申请作了较为具体和详细的描述。应当理解，基于本申请的技术构思，还可以对这些具体实施例作出若干常规的调整或进一步的创新；但只要未脱离本申请的技术构思，这些常规的调整或进一步的创新得到的技术方案也同样落入本申请的权利要求保护范围。
Claims (7)
1.一种基于沟槽织构的表面防冰结构，其特征在于，包括：管状基体和设置于管状基体外表面的沟槽织构体，所述沟槽织构体沿着管状基体的轴向呈螺旋状延伸或平行的多圈沟槽，沟槽织构体全面覆盖于管状基体外表面，液体与沟槽织构体接触时相互之间的接触角大于90°，使得沟槽织构体在管状基体的外表面形成疏水层。
2.根据权利要求1所述的一种基于沟槽织构的表面防冰结构，其特征在于，所述沟槽织构体与其表面的液体接触角大于150°，使得沟槽织构体在管状基体的外表面形成超疏水层。
3.根据权利要求1所述的一种基于沟槽织构的表面防冰结构，其特征在于，所述沟槽织构体通过激光加工法制备，选取脉冲激光。
4.根据权利要求1所述的一种基于沟槽织构的表面防冰结构，其特征在于，所述沟槽织构体通过一步喷涂法工艺固化于管状基体的外表面。
5.根据权利要求1所述的一种基于沟槽织构的表面防冰结构，其特征在于，所述沟槽织构体的基础材料为聚四氟乙烯或四氟乙烯。
6.根据权利要求1所述的一种基于沟槽织构的表面防冰结构，其特征在于，所述沟槽织构体的沟槽最大宽度为20μm，沟槽最大深度为15μm，沟槽最大间距为40μm。
7.根据权利要求1所述的一种基于沟槽织构的表面防冰结构，其特征在于，所述沟槽织构体的沟槽横截面是矩形、梯形、三角形或圆弧形。
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