風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片用防冰超疏水涂層的研究進(jìn)展

倪一帆, 張作貴

(上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司, 上海 200240)

風(fēng)力發(fā)電作為一種安全可靠的新能源發(fā)電技術(shù),受到國(guó)家的高度重視。截至2022年底,我國(guó)風(fēng)力發(fā)電累計(jì)裝機(jī)容量為3.65×108kW,其中2022年新增并網(wǎng)裝機(jī)容量為3.763×107kW,穩(wěn)居世界第一。隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的長(zhǎng)期服役,風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片覆冰逐漸成為影響機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的主要問(wèn)題之一。風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片覆冰會(huì)改變?nèi)~片的翼型,影響風(fēng)輪的氣動(dòng)特性,降低發(fā)電效率,甚至引起非計(jì)劃停機(jī);覆冰會(huì)增加葉片載荷,使其發(fā)生擺振,影響葉片的疲勞壽命;隨著環(huán)境溫度的升高,葉片表面冰層受風(fēng)力、自身重力和離心力作用而發(fā)生大面積脫冰,會(huì)對(duì)周邊的設(shè)施和人員造成一定的安全隱患[1]。目前,廣泛應(yīng)用的防除冰技術(shù)主要包括機(jī)械除冰、溶液除冰、電加熱除冰等主動(dòng)除冰方法,以及采用防冰涂層等被動(dòng)防冰方法[2, 3]。

超疏水涂層引起表面特有的微納米粗糙結(jié)構(gòu),可以大幅延緩結(jié)冰時(shí)間并顯著降低覆冰層和葉片表面間的黏附強(qiáng)度,同時(shí)還具備低能耗、易實(shí)施等優(yōu)勢(shì),在風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片防除冰領(lǐng)域展現(xiàn)出了良好的應(yīng)用前景和發(fā)展?jié)摿4, 5]。為此,筆者對(duì)超疏水涂層在防冰領(lǐng)域應(yīng)用的研究現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié),分析涂層的防冰機(jī)理和防冰效果,并且對(duì)超疏水涂層的研究前景和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望。

1 表面潤(rùn)濕理論模型

固體表面的潤(rùn)濕性主要受表面微觀結(jié)構(gòu)和表面自由能影響,可利用接觸角、接觸角滯后角度和滾動(dòng)角進(jìn)行表征[6],具體見(jiàn)圖1,其中:θ為接觸角;γSL、γSV和γLV分別為固-液界面、固-氣界面和氣-液界面張力;θA和θB均為接觸角滯后角,分別對(duì)應(yīng)前進(jìn)接觸角和后退接觸角,二者分別是通過(guò)增加和減少液體使三相接觸線(xiàn)瞬間移動(dòng)時(shí)的角度,接觸角滯后角度為二者的差值;α為滾動(dòng)角,是指液體滾落時(shí)固體表面的最小傾斜角。接觸角是指三相交點(diǎn)處的氣-液界面的切線(xiàn)與固-液交界線(xiàn)之間的夾角,用于表征固體表面被液體潤(rùn)濕的程度。根據(jù)接觸角的大小,可以將固體表面分為超親水(θ≤5°)、親水(5°<θ≤90°)、疏水(90°<θ<150°)和超疏水(θ≥150°)表面。接觸角滯后角度和滾動(dòng)角用于表征液滴在固體表面的動(dòng)態(tài)特性。

圖1 接觸角、接觸角滯后角度和滾動(dòng)角示意圖

1.1 楊氏方程

當(dāng)固、液、氣三相在絕對(duì)光滑、均勻的理想表面達(dá)到平衡時(shí),液滴的接觸角與作用在固-液界面、固-氣界面和氣-液界面的界面自由能有關(guān)[7],即著名的楊氏方程:

(1)

式中:θY為本征接觸角,(°)。

1.2 Wenzel理論和Cassie-Baxter理論

與楊氏方程代表的理想固體表面不同,自然界中實(shí)際固體的化學(xué)成分不均勻,并且表面存在一定的粗糙度。實(shí)際固體表面潤(rùn)濕模型見(jiàn)圖2。為了解釋粗糙固體表面的潤(rùn)濕行為,WENZEL R N[8]在楊氏方程的基礎(chǔ)上提出了Wenzel理論。該理論假定:當(dāng)液滴與粗糙固體表面接觸時(shí),會(huì)填滿(mǎn)表面的粗糙間隙(如圖2(a)所示),即液體與固體充分接觸,固-液界面處不存在空氣間隙。

圖2 實(shí)際固體表面潤(rùn)濕模型

根據(jù)Wenzel理論,表面粗糙度和液滴的表面接觸角關(guān)系為:

(2)

式中:θw為Wenzel狀態(tài)下的表觀接觸角,(°);r為表面粗糙度,指固-液實(shí)際接觸面積與表觀接觸面積之比(r>1)。

Wenzel理論闡述了粗糙表面的表觀接觸角和本征接觸角之間的關(guān)系,但是該理論僅限于液滴完全填滿(mǎn)表面微觀粗糙結(jié)構(gòu)的情況,自然界中仍然存在許多特殊的現(xiàn)象(如荷葉、蟬翼和蝴蝶翅膀等超疏水表面的非均勻潤(rùn)濕行為)無(wú)法通過(guò)該理論得到合理的解釋。1944年,CASSIE A B D等[9]在Wenzel理論的基礎(chǔ)上,提出了一種針對(duì)非均勻多孔固體表面的潤(rùn)濕理論模型,即Cassie-Baxter理論:

cosθCB=f1cosθ1+f2cosθ2

(3)

式中:θCB為Cassie接觸狀態(tài)下的表觀接觸角,(°);f1和f2分別為液滴與表面組分1和組分2的接觸面積的比例,二者的和為1;θ1和θ2分別為表面組分1和組分2的本征接觸角,(°)。

Cassie-Baxter理論認(rèn)為:液滴懸于表面粗糙結(jié)構(gòu)中的微凸起頂部,未滲入粗糙間隙,固-液界面處存在空氣間隙,液滴和固體表面之間的接觸面積減小,并且形成一種固-液-氣三相的復(fù)合接觸狀態(tài)(如圖2(b)所示)。由于液滴在氣體表面上的表觀接觸角為180°,可以將式(3)簡(jiǎn)化為:

cosθCB=f(1+cosθ)-1

(4)

式中:f為復(fù)合接觸面中固-液接觸面所占比例。

由于空氣間隙的存在,液滴在Cassie狀態(tài)下的接觸角滯后角度比在Wenzel狀態(tài)下的小,因此構(gòu)建可以形成固-液-氣復(fù)合接觸的微觀粗糙結(jié)構(gòu),有助于實(shí)現(xiàn)自清潔和疏水防冰等作用。液滴在固體表面可以同時(shí)存在兩種潤(rùn)濕狀態(tài),并且兩種狀態(tài)之間還可能發(fā)生轉(zhuǎn)換[10]。表面微觀粗糙結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)是決定液滴潤(rùn)濕狀態(tài)的主要因素之一,如果微觀粗糙結(jié)構(gòu)在使用過(guò)程中遭到破壞,此時(shí)液滴在Wenzel狀態(tài)下的表面能不斷降低,在Cassie狀態(tài)下的表面能不斷升高,導(dǎo)致固體表面的潤(rùn)濕狀態(tài)由Cassie狀態(tài)向Wenzel狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)換[11]。此外,當(dāng)液滴受到外壓、振動(dòng)和沖擊等外界環(huán)境的刺激時(shí),固-液界面處的空氣間隙會(huì)被排開(kāi),液滴滲入表面的微凸起結(jié)構(gòu)中,最終發(fā)生由Cassie狀態(tài)向Wenzel狀態(tài)的轉(zhuǎn)換[12]。這種潤(rùn)濕狀態(tài)的轉(zhuǎn)換會(huì)引起固-液接觸面積快速增加,并且造成表面疏水防冰功能的失效。

1.3 動(dòng)態(tài)潤(rùn)濕模型

為了更加準(zhǔn)確地描述超疏水表面的潤(rùn)濕行為,除了研究表面的靜態(tài)接觸角,還需要引入表征其動(dòng)態(tài)特性的接觸角滯后角度和滾動(dòng)角。1962年,FURMIDGE C G L[13]提出了滾動(dòng)角和接觸角滯后角度之間的關(guān)系為:

mgsinα=ωγLV(cosθB-cosθA)-1

(5)

式中:m為液滴質(zhì)量,kg;g為重力加速度,m/s2;ω為浸潤(rùn)面積寬度,m。

由式(5)可知,滾動(dòng)角和接觸角滯后角度呈正相關(guān),減小接觸角滯后角度可以使液滴在固體表面更易滾動(dòng)、脫附。

2 結(jié)冰機(jī)理和涂層防冰

2.1 冰晶成核理論

結(jié)冰是一種多因素綜合作用下的復(fù)雜物理現(xiàn)象,從本質(zhì)上講,這是一種液-固(或氣-固)相變過(guò)程[14, 15]。經(jīng)典成核理論認(rèn)為,任何成核過(guò)程的發(fā)生都需要克服吉布斯自由能勢(shì)壘,該自由能勢(shì)壘與固體表面潤(rùn)濕性的關(guān)系[16]為:

(6)

式中:ΔG為吉布斯自由能勢(shì)壘,J;σLV為液-氣表面能,J/m2;θ為接觸角,(°);r0為臨界晶核半徑,m,可以由開(kāi)爾文方程計(jì)算得到[17]。

開(kāi)爾文方程為:

(7)

式中:T為溫度,K;p為蒸氣壓力,Pa;p∞為溫度T時(shí)冷凝相的平衡蒸氣壓力,Pa;k為玻爾茲曼常數(shù);nL為單位體積液相的分子數(shù)。

一旦克服吉布斯自由能勢(shì)壘,母相內(nèi)部出現(xiàn)晶胚,當(dāng)晶胚尺寸達(dá)到或超過(guò)臨界晶核半徑時(shí),會(huì)轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定、自發(fā)長(zhǎng)大的冰晶,并最終在固體表面形成宏觀冰體,結(jié)冰過(guò)程見(jiàn)圖3。

圖3 結(jié)冰過(guò)程[14]

冰晶的成核可分為均勻成核和非均勻成核[18],自然界中的絕大部分結(jié)冰過(guò)程都是非均勻成核[19]。非均勻成核會(huì)優(yōu)先在固-液界面、氣-液界面和雜質(zhì)顆粒(如灰塵等)處發(fā)生[20],因?yàn)楫愇锘螂s質(zhì)的存在會(huì)降低成核勢(shì)壘,有利于成核過(guò)程的發(fā)生[21]。

2.2 涂層防冰技術(shù)

在自然界中,水的固體形態(tài)分為雨凇、霧凇、霜、雪和冰等[22, 23],其中雨凇和霧凇對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組造成的危害最大。為了保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行,國(guó)內(nèi)外研究人員提出了多種主動(dòng)及被動(dòng)防除冰技術(shù)[24, 25]。其中,超疏水涂層是目前公認(rèn)的一種極具應(yīng)用前景的防冰技術(shù)[26]。超疏水涂層的具體作用為:在結(jié)冰前阻止過(guò)冷卻水滴在涂層表面的吸附;在結(jié)冰時(shí)抑制冰晶成核;在結(jié)冰后降低冰層與涂層表面之間的黏附強(qiáng)度[27, 28]。

3 防冰涂層研究現(xiàn)狀

3.1 超疏水涂層

NEINHUIS C等[29]通過(guò)觀察荷葉表面的微觀結(jié)構(gòu)揭示了荷葉表面的自清潔性和超疏水性。1996年,ONDA T等[30]首次成功制備了人工超疏水表面,其接觸角達(dá)174°。此后,國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)超疏水涂層進(jìn)行了廣泛的研究。

TAN X Y等[31]通過(guò)一步浸涂法制備了聚偏氟乙烯(PVDF)/SiO2涂層,涂層在-30～350 ℃的溫度范圍內(nèi)保持良好的超疏水性,并且具有優(yōu)異的防冰能力。SAFFAR M A等[32]利用溶膠-凝膠法制備了ZnO/PTFE-SiO2超疏水涂層,其接觸角可達(dá)164°,結(jié)冰時(shí)間可以延長(zhǎng)7倍。ZHAN X L等[33]利用表面引發(fā)電子活化再生原子轉(zhuǎn)移自由基聚合法在SiO2表面接枝氟化聚合物并制備了一種超疏水涂層,可以有效降低水的結(jié)晶溫度并大幅延長(zhǎng)結(jié)冰時(shí)間。

超疏水涂層的耐久性和可修復(fù)性是涂層實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用的關(guān)鍵因素[34-37]。ZHANG Y F等[38]利用氟碳樹(shù)脂(FEVE)和納米SiO2制備了一種超疏水涂層,該涂層具有易修復(fù)性,超疏水涂層的制備和修復(fù)工藝見(jiàn)圖4,可以通過(guò)簡(jiǎn)單浸泡法實(shí)現(xiàn)對(duì)涂層表面微觀結(jié)構(gòu)的修復(fù)。LI Y B等[39]利用聚氨酯(PU)和十六烷基聚硅氧烷(HD-POS)修飾的SiO2顆粒制備了PU/SiO2@HD-POS超疏水涂層,當(dāng)涂層表面遭到O2等離子體輻射破壞,HD-POS可以遷移到損傷表面,賦予涂層快速穩(wěn)定的自修復(fù)功能,使涂層恢復(fù)超疏水性,接觸角從0°恢復(fù)至160°(見(jiàn)圖5)。WANG D H等[40]構(gòu)建了一種相互耦合的微/納米表面結(jié)構(gòu),其中納米級(jí)結(jié)構(gòu)提供疏水防冰性,微米級(jí)框架提升涂層耐磨性(見(jiàn)圖6)。

圖5 PU/SiO2@HD-POS超疏水涂層的自修復(fù)機(jī)理[39]

圖6 微結(jié)構(gòu)“盔甲”保護(hù)超疏水涂層[40]

WANG L Z等[41]發(fā)現(xiàn)在規(guī)則微米柱-納米顆粒二級(jí)超疏水表面上,液滴在結(jié)冰-融冰循環(huán)后可以自發(fā)恢復(fù)到Cassie狀態(tài)。該團(tuán)隊(duì)通過(guò)理論模型和數(shù)值模擬分析,揭示了涂層表面的潤(rùn)濕狀態(tài)由Wenzel狀態(tài)向Cassie狀態(tài)轉(zhuǎn)換的機(jī)理,并提出了實(shí)現(xiàn)該轉(zhuǎn)換的涂層設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,即涂層表面需要具備低表面阻力、優(yōu)異的超疏水性和優(yōu)異的延遲結(jié)冰性。

3.2 超潤(rùn)滑涂層

哈佛大學(xué)的Joanna Aizenberg課題組受豬籠草邊緣區(qū)潤(rùn)滑效應(yīng)的啟發(fā),首次提出并制備了一種超潤(rùn)滑涂層[42]。超潤(rùn)滑涂層的制備流程見(jiàn)圖7,通過(guò)在功能化的多孔聚合物表面引入低表面能液體作為潤(rùn)滑劑,形成低黏附潤(rùn)滑層。超潤(rùn)滑涂層將粗糙結(jié)構(gòu)中的氣體替換成低表面能液體,得到均質(zhì)、連續(xù)的固液膜層,可以有效降低結(jié)冰溫度和冰層黏附強(qiáng)度;當(dāng)涂層受到破壞時(shí),潤(rùn)滑液可以快速流動(dòng),實(shí)現(xiàn)自修復(fù)。MA L Q等[43]將Krytox103潤(rùn)滑油注入納米纖維聚四氟乙烯(PTFE)多孔表面,制備了具有超低冰黏附強(qiáng)度的超潤(rùn)滑涂層。QIAN H C等[44]利用聚二甲基硅氧烷(PDMS)和軟化劑構(gòu)建多孔框架結(jié)構(gòu),隨后注入二甲基硅油,從而制備了一種耐久性較好的超潤(rùn)滑涂層。

圖7 超潤(rùn)滑涂層制備流程[42]

3.3 光熱/超疏水復(fù)合涂層

在傳統(tǒng)超疏水涂層的基礎(chǔ)上,可以進(jìn)一步引入具有光熱效應(yīng)的納米顆粒,賦予涂層主動(dòng)除冰功能。ZHENG W W等[45]以PDMS、羰基鐵粉(Fe)和蠟燭煙灰(CS)為原料制備了一種磁響應(yīng)超疏水PDMS/Fe-PDMS/CS涂層(見(jiàn)圖8),該涂層具有較高的光熱轉(zhuǎn)換效率和較好的耐久性。研究結(jié)果表明,在標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光照條件下,涂層表面的覆冰層在237 s后完全融化。陳梁[46]以乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)為基底制備超疏水表面,引入碳納米管(CNTs)合成一種光熱/超疏水復(fù)合涂層,其光熱轉(zhuǎn)換效率可達(dá)50.94%。

圖8 光熱/超疏水PDMS/Fe-PDMS/CS涂層制備過(guò)程[45]

4 結(jié)語(yǔ)

超疏水涂層具有優(yōu)異的疏水性,可以防止過(guò)冷卻液滴在風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片表面的黏附,延緩液滴的結(jié)冰時(shí)間,降低覆冰層和葉片之間的黏附強(qiáng)度,因此在防冰領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景?；趥鹘y(tǒng)超疏水涂層技術(shù),國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者開(kāi)發(fā)了超潤(rùn)滑涂層和光熱/超疏水涂層等具有復(fù)合功能的防冰涂層。然而,目前絕大多數(shù)的研究還處于實(shí)驗(yàn)室階段,尚沒(méi)有成熟的防冰涂層大規(guī)模投入使用。未來(lái)防冰超疏水涂層的研究工作需要注重以下幾個(gè)方面:

(1) 在低溫高濕環(huán)境下,超疏水涂層表面的潤(rùn)濕模式會(huì)由Cassie狀態(tài)轉(zhuǎn)換為Wenzel狀態(tài),導(dǎo)致其疏水性和防冰效率大幅降低。因此,需要對(duì)涂層表面潤(rùn)濕理論和冰晶成核機(jī)制進(jìn)行更深入的研究,從而指導(dǎo)涂層表面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化和制備工藝的改進(jìn),提高超疏水涂層的防冰性能。

(2) 在實(shí)際應(yīng)用工況下,超疏水涂層表面的微/納米結(jié)構(gòu)會(huì)因磨損老化或冰層脫附而遭到破壞,導(dǎo)致涂層失效。因此,需要通過(guò)多種途徑提高超疏水涂層表面的穩(wěn)定性和耐久性,開(kāi)發(fā)具備耐磨損、易修復(fù)和自修復(fù)等功能的防冰涂層。

(3) 目前,超疏水涂層的制備工藝較為復(fù)雜,并且成本較高,主要適用于實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的小型剛性平面,難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)和工業(yè)化應(yīng)用。因此,需要重點(diǎn)研究大規(guī)模、低成本、簡(jiǎn)單快捷的工業(yè)化涂層制備工藝,同時(shí)開(kāi)發(fā)無(wú)毒無(wú)害、環(huán)境友好的超疏水涂層配方。