ZnO超疏水表面材料用于路面抗凝冰技術性能研究

李月光 許榮華 伊書國

(武漢理工大學交通學院 武漢 430063)

0 引 言

路面凝冰是我國西南高原山區公路冬季常見的一種自然災害，它在路面表面生成一層薄冰，但并不完全覆蓋路面，當發生凝冰災害時，道路可以正常使用，只是由于凝冰的存在，導致路面的摩擦系數明顯減小，車輛行駛過程中容易發生打滑[1].特別是在高速公路上，由于凝冰災害的難察覺性，遇到凝冰時，司機對車輛較難控制，易發生交通事故，嚴重影響行車安全.

由于凝冰是黏附在道路表層的一層薄冰[2]，所以除凝冰技術就不同于一般的除冰雪技術.選擇采用除冰機械[3]對于路面凝冰不但難以奏效而且除冰機械對路面會產生嚴重的磨損；目前使用最多的是撒布除冰鹽來除路面凝冰，但問題是當除冰鹽融化后，鹽中含有的氯離子會嚴重的腐蝕路面，影響道路的使用壽命，同時對環境具有較大的破壞[4].為此，研究和開發一種環保、對路面損害不大的主動抗凝冰技術尤為重要.

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]，降低冰的黏附強度、延遲冰的增長等優越性能，已被應用于輸電通信線路[8-9]、航空設備[10]等設施的防冰除冰技術上.近幾年，越來越多的學者開始研究超疏水材料在道路交通領域的應用.Ismael等[11-13]在混凝土表面上制備了不同種類的超疏水涂層，測試了涂層的接觸角、滾動角，并且Arabzadeh對瀝青混凝土表面的水接觸角、抗滑性能、黏附力等方面進行了研究，測試結果表明超疏水材料使混凝土防水、自清潔都成為現實；Rao[14]制備了一種路面超疏水涂層并對此涂層進行了結冰性和疏冰性研究，結果表明，具有傾斜角時，水滴可以輕易滾落，延緩了結冰時間從而減少了結冰量.

本文使用溶膠-凝膠法[15]在納米氧化鋅顆粒表面構建微-納米級粗糙結構，制備出具有超疏水性質的納米氧化鋅溶液，并將其噴涂于路面表面，通過試驗對其抗凝冰技術性能進行試驗研究.

1 ZnO超疏水表面材料制備

1.1 超疏水材料制備

將硬脂酸溶解于無水乙醇中，配制出硬脂酸的無水乙醇溶液，再將ZnO納米顆粒加入到硬脂酸的無水乙醇溶液中，磁力攪拌3 h，利用簡單的液相反應使低表面能物質硬脂酸實現對納米氧化鋅顆粒的修飾，這樣就可以獲得硬脂酸鋅，對硬脂酸的低表面能長烷基進行處理，從而與親水的ZnO納米顆粒的表面實現鏈接，這樣其疏水性將表現更加優異.攪拌過程中會發現溶液顏色逐漸發生變化，最終攪拌完成后得到的溶液接近乳白色，然后過濾，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，總共制備了三個樣品.將制備完成的載玻片進行接觸角試驗，通過光學接觸角測量儀，取5 μL蒸餾水作為探測液，對每個樣品測量時，測點總共為三個，取其均值，將其作為靜態接觸角.然后進行檢測，結果表明在接觸角方面要高于150°，達到疏水性的要求.

1.2 超疏水路面涂層的處理

由實驗可知先刷涂后噴涂的復合處理方法是路面材料被動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，實施刷涂處理，試件與液態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，軟刷或毛刷的規格尺寸較多，有著非常強的適用性，同時對于涂料的消耗比較少，能夠覆蓋一些特殊以及狹窄區域.使用氣泵噴筆進行噴涂作業，見圖1，在施工的過程中，噴筆閥門大小和噴涂速率需要控制得當，避免徑流的產生，保證噴涂均勻.施工3遍之后，將其放在室溫環境中進行干燥，保證其具有超疏水性.

圖1 超疏水涂料噴涂過程

2 ZnO超疏水表面抗凝冰性能試驗

2.1 抗滑性能試驗

路面的抗滑性能具體是車輛輪胎在制動操作的過程中，順著表面滑移時所出現的力，通過該指標能夠了解到路面表面所具有的粗糙特性，主要使用摩阻系數來進行表示.由文獻[16]可知，通過擺式摩擦系數測定儀測定路面在潮濕條件下對擺的摩擦阻力，以及電動鋪砂儀測試路面表面的構造深度.試驗模具尺寸為350 mm×350 mm×50 mm，為清楚了解ZnO超疏水材料對抗滑性能的影響，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，見圖2.

圖2 試驗模具與試件

路面抗滑性能影響因素比較多，像路表浮漿厚度、材料級配等.若表面沒有磨耗，此時影響因素則為砂漿、紋理.所以不會特別要求材料制作，試件制備不能存在技術性質的差異，這樣試驗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合的方法，制作出滿足要求的超疏水組試件.擺式儀測定擺值時將未經超疏水處理的試件做參照組，分別測定參照組和超疏水組在室內環境下的擺值大小和構造深度.所得結果見表1～3.

表1 抗滑性能試驗值(抹平路面)

表2 抗滑性能試驗值(拉毛路面)

表3 抗滑性能試驗值(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造深度，原因如下：在拉毛和刻槽成型的階段，出現了非常多的細觀紋理；不同紋理表面的試件經過氧化鋅超疏水涂層處理后，其擺值均有一定程度的增大，最大達到了17.1%，試驗結果表明，氧化鋅超疏水表面材料提高了路面的抗滑性能；然而構造深度變化不大，大概是涂層厚度影響有限，在路面結構中，涂層材料沒有足夠深入.為了更直觀的表明摩擦系數的大小變化，繪制出不同表面紋理試件的比較圖，見圖3.

圖3 不同表面紋理試件的摩擦系數

2.2 疏水性能試驗

在普通試件和經過ZnO超疏水涂層處理后的試件表面灑水，進行疏水性能觀察分析，見圖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，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，幾乎會全部覆蓋和潤濕接觸的試件面積.顯然，經過ZnO超疏水材料處理后的表面已經具備良好的超疏水性能.

2.3 延緩結冰試件測試

在低溫環境中，深入研究ZnO超疏水材料所出現的結冰行為，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普通冰箱中，設置溫度為-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，比較觀察水滴所出現的結冰行為.見圖5.

圖5 水滴在不同表面上的結冰狀態

圖5上側為普通試件表面，下側為經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，此時水均呈液態鋪展在試件表面，但是經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，普通表面出現結冰的情況，超疏水表面沒變化.圖5c)中，在780 s超疏水表面的水滴才有變化，出現結冰狀況.試驗證明該材料表面能夠讓靜態水滴延緩結冰，原因是其上的水滴呈cassie-baxter狀態，水滴懸于粗糙的表面結構上，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試

2.4.1除冰試驗

在特定高度，使用砝碼對試件表面進行敲擊，保證一樣的次數，分析其中的除冰效果，并測定完全清除冰塊的次數，對比除冰的難易程度.具體試驗步驟：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將試件統一放在水平地面上，讓砝碼從50 cm的高度處自由下落；③觀察下落50次后的除冰情況.按照上述試驗方法進行試驗，試驗過程和結果見圖6.

圖6 試件表面情況

圖6a)左側是超疏水表面，右側為普通試件表面.不同試件表面的結冰現象并不相同，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部的空隙中，而且更容易鋪展開.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法滲透到其中，并且水與超疏水表面接觸角更大，因此結冰現象不同.

圖6b)為除冰后的情況，超疏水試件表面的冰進行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，沒有出現太多的痕跡，這間接說明了超疏水涂層能有效減少水分進入試件內部，結冰現象發生在路面表面，因此更容易除冰，即使采用機械除冰也會減少對路面材料的破壞.而普通試件表面經過50次敲擊后仍存在大量冰塊，因為普通水泥混凝土試件表面空隙易滲入水分，結冰現象發生在試件內部和表面且形成貫通，因此除冰更加困難.

2.4.2黏結力試驗

冰與路面之間的黏結力，直接決定了涂層疏冰性能是否有效.通過查詢文獻選定用劈裂試驗來測定冰與路面之間的黏結力大小.步驟具體如下:①將超疏水試件、普通試件(規格均為70 mm×70 mm×70 mm)安置在鋼模中，使用塑料薄膜將其隔開，兩邊保留30 mm的空隙;②添加水到空隙中，充滿，水與試驗面直接接觸，此后將其轉移到冰箱中，等候5 h，形成了兩個100 mm×70 mm×70 mm規格的結冰試件，見圖7;③將其轉移到劈裂試驗儀器中，兩端放置橡膠墊條，然后使用儀器進行加壓處理，當其劈裂后終止操作，整個過程中操作詳見圖8.

圖7 結冰試件 圖8 劈裂試驗示意圖

進行劈裂試驗時，發現普通試件的斷裂面并不在冰與試件之間，而是冰塊發生破裂，大小平均為1.25 kN，但實際冰與水泥混凝土表面的黏結力大于此數.此實驗過程中存在缺陷，劈裂加壓時不能保證壓力加壓在冰與試件的界面處，橡膠墊條雖然有應力集中作用，但墊條導致試件傾斜.對于超疏水試件，得到的劈裂最大值為0.96 kN，雖然試驗缺陷未準確測出冰與超疏水涂層間的黏結力，但根據試驗數據也可得出：超疏水涂層有效地降低了冰與路面之間的黏結力，降低了除冰難度.

3 結 論

1) 水泥混凝土試件經ZnO超疏水表面材料處理后，其摩擦系數有一定程度的提高，最大可增大17.1%，這對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出良好的疏水性能；冰與超疏水試件間的黏結力較小，有效降低了除冰難度.

3) 試驗中發現ZnO超疏水涂層的耐久性并不可觀，刷涂在路面后會在車輪碾壓、雨水沖刷等外界條件下發生磨損，降低其超疏水性能.在后續研究中，應著重就超疏水涂料的耐久性問題展開進一步研究.

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