在親水性材料表面，液體浸潤后能夠很好的鋪展，根據(jù)固體表面的分子與水分子作用的不同，親水性表面的水通常有三種存在形態(tài)，如圖所示:

圖1 親水性表面水分子存在的三種狀態(tài)

在緊挨著親水性表面的水分子與表面具有較強的水合作用，這種分子稱為“不結冰水”，這種“不結冰水”通常為幾個分子層厚，緊挨著“不結冰水”的水分子稱為“鍵合水”，這些水分子在低于凝固點時也不會結冰，最外層的水分子被稱為“自由水”，這部分水與本體水的性質相同，在達到凝固點時就會結冰。正是由于自由水的這一性質使得通常情況下低溫下冷表面上結冰結霜現(xiàn)象不可避免，為了防止“自由水”在低溫下的凝固，我們通常采用增加親水性材料與水分子的氫鍵作用或者通過傳統(tǒng)的“鹽效應”來控制冰晶的生長，從而起到抑制結冰的效果。

理論研究方面，在1990年Leslie Leiserowitz首次研究了脂肪醇對于成核溫度的影響。研究結果表明，與能夠有效防結冰的水溶性的醇相比，長鏈的脂肪醇單分散層可以在接近0℃誘導冰成核，相應的具有大的疏水基團的脂肪酸和醇可以使冰點降低12℃左右;同時他指出，兩性分子導致的凝固點降低不僅與單位表面積上的分子數(shù)有關，還與脂肪醇鏈的長度和奇偶性有關。對于C_nH_2n+1OH同系物來說，當n為奇數(shù)時，成核溫度在0℃左右，當n為偶數(shù)時，成核溫度在最低在8℃。分析成核溫度較髙的原因是由于定向排列的脂肪醇單分散層誘導了冰的成核。

在親水性材料的制備和研究方面，Wu XM、Webb RL、M Newborough等學者研究了親水性表面上抑制結霜的可能性。Highgate通過實驗證明，親水涂層可吸附大量的水，并且貯存了一部分潛冷，可使吸附的水達-20℃而不結冰。有的學者采用將乙二醇加到高聚物中作為親水表面，取得了良好的抑霜效果，但問題是經(jīng)過連續(xù)三次重復實驗后，涂層便失去作用。Okoroafo采用高聚物親水表面進行了兩個多小時的結霜實驗測量，可使結霜速率和霜層厚度減少10%~30%，但是在這種聚合物的網(wǎng)絡中，吸收的水量存在一個臨界值，只有在這個臨界值之下，聚合物網(wǎng)絡中吸收的水分子才不會結冰。Lee的研究表明親水性表面上霜層厚度確實比普通表面上要少，但發(fā)現(xiàn)其冷表面結霜的密度更大些，研究發(fā)現(xiàn)隨著相對濕度增大，親水性涂層延緩結霜的能力也逐漸降低，箱層沉積后，其上面的霜層減少了表面能對結霜的影響。而 Jongmin Shin等人則研究了不同的涂層厚度對結霜的影響，研究表明，親水性涂層越厚，其抑制結霜的效果越明顯，但并沒有分析涂層厚度何時為最佳，使其既能保證整體良好的導熱性、涂層總耗最小，而且抑制結霜效果最顯著。Rault等發(fā)現(xiàn)當水被聚乙烯醇或者聚乙烯吡咯烷酮或者兩者的混合物吸收后，這些水分了中只有一部分可以結晶，并且不結晶水的比例與混合的比例相關。其原因是在降溫過程中，在到達水的結冰溫度之前聚合物水的無定形相已經(jīng)凝固，使得水不會凝固Inada等研究了聚乙烯醇在抑制冰結晶方面的作用，并把這種抑制效果和I型抗凍蛋白進行對比。發(fā)現(xiàn)當聚乙烯醇的濃度即使降低至10^-7mol/L時，冰晶的大小也不會隨著時間發(fā)生變化，具有較強的抑制冰晶生長的效果，這與I型抗凍蛋白的抑制冰晶生長的效果類似。除此之外，作者還發(fā)現(xiàn)抑制冰晶生長的效果還與摩爾濃度、摩爾分子量和PVA的水解程度相關。

圖2(a)聚乙烯醇和(b)聚丙烯酸中冰晶的退火的光學照片

(c)冰晶大小和溶質的關系

(d)冰晶大小和聚乙烯醇濃度的關系

Jennifer Ayres等首先用鈦酸異丙酯，三丙二醇和甘油制備得到了目標化合物，然后使用溶膠凝膠法使目標化合物緩慢水解釋放異丙醇和甘油。由于異丙醇和甘油能夠降低冰點，因此這種凝膠化學的方法可以用來做防結冰涂層。通過在風洞中的測試表明，在-2℃的條件下，具有該涂層的表面上冰的粘附較少，相比之下沒有該涂層的鋼表面粘附了大量的冰，因此可以看出這種涂層具有較好的抗冰效果。

圖3修飾后的表面(上)和未經(jīng)修飾的表面(下)在-2℃的條件下結冰20分鐘后的照片。

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