風力發電機葉片用防冰超疏水涂層的研究進展

倪一帆, 張作貴

(上海發電設備成套設計研究院有限責任公司, 上海 200240)

風力發電作為一種安全可靠的新能源發電技術,受到國家的高度重視。截至2022年底,我國風力發電累計裝機容量為3.65×108kW,其中2022年新增并網裝機容量為3.763×107kW,穩居世界第一。隨著風力發電機組的長期服役,風力發電機葉片覆冰逐漸成為影響機組安全穩定運行的主要問題之一。風力發電機葉片覆冰會改變葉片的翼型,影響風輪的氣動特性,降低發電效率,甚至引起非計劃停機;覆冰會增加葉片載荷,使其發生擺振,影響葉片的疲勞壽命;隨著環境溫度的升高,葉片表面冰層受風力、自身重力和離心力作用而發生大面積脫冰,會對周邊的設施和人員造成一定的安全隱患[1]。目前,廣泛應用的防除冰技術主要包括機械除冰、溶液除冰、電加熱除冰等主動除冰方法,以及采用防冰涂層等被動防冰方法[2, 3]。

超疏水涂層引起表面特有的微納米粗糙結構,可以大幅延緩結冰時間并顯著降低覆冰層和葉片表面間的黏附強度,同時還具備低能耗、易實施等優勢,在風力發電機葉片防除冰領域展現出了良好的應用前景和發展潛力[4, 5]。為此,筆者對超疏水涂層在防冰領域應用的研究現狀進行總結,分析涂層的防冰機理和防冰效果,并且對超疏水涂層的研究前景和發展趨勢進行展望。

1 表面潤濕理論模型

固體表面的潤濕性主要受表面微觀結構和表面自由能影響,可利用接觸角、接觸角滯后角度和滾動角進行表征[6],具體見圖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,分別對應前進接觸角和后退接觸角,二者分別是通過增加和減少液體使三相接觸線瞬間移動時的角度,接觸角滯后角度為二者的差值;α為滾動角,是指液體滾落時固體表面的最小傾斜角。接觸角是指三相交點處的氣-液界面的切線與固-液交界線之間的夾角,用于表征固體表面被液體潤濕的程度。根據接觸角的大小,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角用于表征液滴在固體表面的動態特性。

圖1 接觸角、接觸角滯后角度和滾動角示意圖

1.1 楊氏方程

當固、液、氣三相在絕對光滑、均勻的理想表面達到平衡時,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[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,自然界中實際固體的化學成分不均勻,并且表面存在一定的粗糙度。實際固體表面潤濕模型見圖2。為了解釋粗糙固體表面的潤濕行為,WENZEL R N[8]在楊氏方程的基礎上提出了Wenzel理論。該理論假定:當液滴與粗糙固體表面接觸時,會填滿表面的粗糙間隙(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 實際固體表面潤濕模型

根據Wenzel理論,表面粗糙度和液滴的表面接觸角關系為:

(2)

式中:θw為Wenzel狀態下的表觀接觸角,(°);r為表面粗糙度,指固-液實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系,但是該理論僅限于液滴完全填滿表面微觀粗糙結構的情況,自然界中仍然存在許多特殊的現象(如荷葉、蟬翼和蝴蝶翅膀等超疏水表面的非均勻潤濕行為)無法通過該理論得到合理的解釋。1944年,CASSIE A B D等[9]在Wenzel理論的基礎上,提出了一種針對非均勻多孔固體表面的潤濕理論模型,即Cassie-Baxter理論:

cosθCB=f1cosθ1+f2cosθ2

(3)

式中:θCB為Cassie接觸狀態下的表觀接觸角,(°);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理論認為:液滴懸于表面粗糙結構中的微凸起頂部,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-氣三相的復合接觸狀態(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)簡化為:

cosθCB=f(1+cosθ)-1

(4)

式中:f為復合接觸面中固-液接觸面所占比例。

由于空氣間隙的存在,液滴在Cassie狀態下的接觸角滯后角度比在Wenzel狀態下的小,因此構建可以形成固-液-氣復合接觸的微觀粗糙結構,有助于實現自清潔和疏水防冰等作用。液滴在固體表面可以同時存在兩種潤濕狀態,并且兩種狀態之間還可能發生轉換[10]。表面微觀粗糙結構的幾何參數是決定液滴潤濕狀態的主要因素之一,如果微觀粗糙結構在使用過程中遭到破壞,此時液滴在Wenzel狀態下的表面能不斷降低,在Cassie狀態下的表面能不斷升高,導致固體表面的潤濕狀態由Cassie狀態向Wenzel狀態發生轉換[11]。此外,當液滴受到外壓、振動和沖擊等外界環境的刺激時,固-液界面處的空氣間隙會被排開,液滴滲入表面的微凸起結構中,最終發生由Cassie狀態向Wenzel狀態的轉換[12]。這種潤濕狀態的轉換會引起固-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 動態潤濕模型

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

mgsinα=ωγLV(cosθB-cosθA)-1

(5)

式中:m為液滴質量,kg;g為重力加速度,m/s2;ω為浸潤面積寬度,m。

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

2 結冰機理和涂層防冰

2.1 冰晶成核理論

結冰是一種多因素綜合作用下的復雜物理現象,從本質上講,這是一種液-固(或氣-固)相變過程[14, 15]。經典成核理論認為,任何成核過程的發生都需要克服吉布斯自由能勢壘,該自由能勢壘與固體表面潤濕性的關系[16]為:

(6)

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

開爾文方程為:

(7)

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

一旦克服吉布斯自由能勢壘,母相內部出現晶胚,當晶胚尺寸達到或超過臨界晶核半徑時,會轉變成穩定、自發長大的冰晶,并最終在固體表面形成宏觀冰體,結冰過程見圖3。

圖3 結冰過程[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冰過程都是非均勻成核[19]。非均勻成核會優先在固-液界面、氣-液界面和雜質顆粒(如灰塵等)處發生[20],因為異物或雜質的存在會降低成核勢壘,有利于成核過程的發生[21]。

2.2 涂層防冰技術

在自然界中,水的固體形態分為雨凇、霧凇、霜、雪和冰等[22, 23],其中雨凇和霧凇對風力發電機組造成的危害最大。為了保證風力發電機組的安全運行,國內外研究人員提出了多種主動及被動防除冰技術[24, 25]。其中,超疏水涂層是目前公認的一種極具應用前景的防冰技術[26]。超疏水涂層的具體作用為:在結冰前阻止過冷卻水滴在涂層表面的吸附;在結冰時抑制冰晶成核;在結冰后降低冰層與涂層表面之間的黏附強度[27, 28]。

3 防冰涂層研究現狀

3.1 超疏水涂層

NEINHUIS C等[29]通過觀察荷葉表面的微觀結構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174°。此后,國內外研究人員對超疏水涂層進行了廣泛的研究。

TAN X Y等[31]通過一步浸涂法制備了聚偏氟乙烯(PVDF)/SiO2涂層,涂層在-30～350 ℃的溫度范圍內保持良好的超疏水性,并且具有優異的防冰能力。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164°,結冰時間可以延長7倍。ZHAN X L等[33]利用表面引發電子活化再生原子轉移自由基聚合法在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晶溫度并大幅延長結冰時間。

超疏水涂層的耐久性和可修復性是涂層實現工程化應用的關鍵因素[34-37]。ZHANG Y F等[38]利用氟碳樹脂(FEVE)和納米SiO2制備了一種超疏水涂層,該涂層具有易修復性,超疏水涂層的制備和修復工藝見圖4,可以通過簡單浸泡法實現對涂層表面微觀結構的修復。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,賦予涂層快速穩定的自修復功能,使涂層恢復超疏水性,接觸角從0°恢復至160°(見圖5)。WANG D H等[40]構建了一種相互耦合的微/納米表面結構,其中納米級結構提供疏水防冰性,微米級框架提升涂層耐磨性(見圖6)。

圖5 PU/SiO2@HD-POS超疏水涂層的自修復機理[39]

圖6 微結構“盔甲”保護超疏水涂層[40]

WANG L Z等[41]發現在規則微米柱-納米顆粒二級超疏水表面上,液滴在結冰-融冰循環后可以自發恢復到Cassie狀態。該團隊通過理論模型和數值模擬分析,揭示了涂層表面的潤濕狀態由Wenzel狀態向Cassie狀態轉換的機理,并提出了實現該轉換的涂層設計準則,即涂層表面需要具備低表面阻力、優異的超疏水性和優異的延遲結冰性。

3.2 超潤滑涂層

哈佛大學的Joanna Aizenberg課題組受豬籠草邊緣區潤滑效應的啟發,首次提出并制備了一種超潤滑涂層[42]。超潤滑涂層的制備流程見圖7,通過在功能化的多孔聚合物表面引入低表面能液體作為潤滑劑,形成低黏附潤滑層。超潤滑涂層將粗糙結構中的氣體替換成低表面能液體,得到均質、連續的固液膜層,可以有效降低結冰溫度和冰層黏附強度;當涂層受到破壞時,潤滑液可以快速流動,實現自修復。MA L Q等[43]將Krytox103潤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度的超潤滑涂層。QIAN H C等[44]利用聚二甲基硅氧烷(PDMS)和軟化劑構建多孔框架結構,隨后注入二甲基硅油,從而制備了一種耐久性較好的超潤滑涂層。

圖7 超潤滑涂層制備流程[42]

3.3 光熱/超疏水復合涂層

在傳統超疏水涂層的基礎上,可以進一步引入具有光熱效應的納米顆粒,賦予涂層主動除冰功能。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超疏水PDMS/Fe-PDMS/CS涂層(見圖8),該涂層具有較高的光熱轉換效率和較好的耐久性。研究結果表明,在標準太陽光照條件下,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/超疏水復合涂層,其光熱轉換效率可達50.94%。

圖8 光熱/超疏水PDMS/Fe-PDMS/CS涂層制備過程[45]

4 結語

超疏水涂層具有優異的疏水性,可以防止過冷卻液滴在風力發電機葉片表面的黏附,延緩液滴的結冰時間,降低覆冰層和葉片之間的黏附強度,因此在防冰領域具有廣闊的應用前景?；趥鹘y超疏水涂層技術,國內外研究學者開發了超潤滑涂層和光熱/超疏水涂層等具有復合功能的防冰涂層。然而,目前絕大多數的研究還處于實驗室階段,尚沒有成熟的防冰涂層大規模投入使用。未來防冰超疏水涂層的研究工作需要注重以下幾個方面:

(1) 在低溫高濕環境下,超疏水涂層表面的潤濕模式會由Cassie狀態轉換為Wenzel狀態,導致其疏水性和防冰效率大幅降低。因此,需要對涂層表面潤濕理論和冰晶成核機制進行更深入的研究,從而指導涂層表面結構設計的優化和制備工藝的改進,提高超疏水涂層的防冰性能。

(2) 在實際應用工況下,超疏水涂層表面的微/納米結構會因磨損老化或冰層脫附而遭到破壞,導致涂層失效。因此,需要通過多種途徑提高超疏水涂層表面的穩定性和耐久性,開發具備耐磨損、易修復和自修復等功能的防冰涂層。

(3) 目前,超疏水涂層的制備工藝較為復雜,并且成本較高,主要適用于實驗室規模的小型剛性平面,難以實現大規模生產和工業化應用。因此,需要重點研究大規模、低成本、簡單快捷的工業化涂層制備工藝,同時開發無毒無害、環境友好的超疏水涂層配方。