注压成型纳米结构PP/POE共混物表面的液滴低温冲击行为

doi:10.7503/cjcu20210404

摘要/Abstract

摘要：

以制备的阳极氧化不锈钢模板为模具嵌件, 采用注射压缩成型(ICM)工艺快速成型表面具有纳米丝结构的柔性聚丙烯/乙烯-辛烯共聚物(PP/POE， PP与POE质量比为3∶1)共混物复制物和准刚性PP复制物, 研究常温液滴冲击?10 ℃复制物表面的动态行为. 结果表明, 致密的纳米丝使复制物表面呈现超疏水、极低黏附的润湿状态. 在低冲击速度范围内, 共混物复制物表面上液滴的接触时间比PP复制物上的短, 可归因于液滴铺展阶段柔性纳米丝储存的弹性势能在回缩阶段转换为液滴的动能; 在高冲击速度范围内, 共混物复制物基板和纳米丝储存的弹性势能被转换为液滴的动能, 进一步缩短了液滴的接触时间. 此结果表明, 共混物复制物的柔性和表面超疏水性使其具有优异的防冻黏性能. 共混物复制物表面上水滴(50 μL)的结冰时间得到明显延长、冰黏附强度明显降低. 研究结果表明, 可采用ICM快速成型具有优异防冻黏和防冰性能的柔性超疏水高分子材料表面.

关键词: 液滴冲击, 接触时间, 柔性, 防冻黏/防冰, 聚丙烯/乙烯-辛烯共聚物共混物, 注射压缩成型

Abstract:

An anodic stainless steel template was prepared by two-step anodic oxidation. Using injection- compression molding with the template， replicas with the nanopillars on their surfaces were molded for flexible polypropylene/poly（ethylene-co-octene）（PP/POE） blend with a mass ratio of 3∶1 and quasi-rigid PP. The dynamic behavior of the droplets impacting the replicas with ?10 ℃ was investigated. It was demonstrated that the dense nanopillars endowed the replica surfaces with superhydrophobicity and extremely low adhesion. In a lower impact velocity range， the contact times of the droplets impacting on the blend replica surface were shorter than those on the PP replicas. This is attributed to the conversion of the elastic potential energy within the flexible nanopillars stored in the spreading stage to the kinetic energy of the droplets in the retraction stage. In a higher impact velocity range， the contact time of the droplets on the blend replica surface was further shortened when the elastic potential energy stored within both replica substrate and nanopillars was converted into the kinetic energy of the droplets. The results suggest that the flexibility and surface superhydrophobicity of the PP/POE replica endow it with excellent anti-freezing adhesive properties. Compared with the PP counterpart surface， the freezing time of the droplet（50 μL） was extended by 2.71 times and the ice adhesion strength was reduced by 58% on the PP/POE blend replica surface. The results demonstrate that it is feasible to rapidly and massively mold flexible superhydrophobic polymer surfaces with anti-freezing adhesive/anti-icing function.

Key words: Droplet impact, Contact time, Flexibility, Anti-freezing adhesive/anti-icing, Polypropylene/poly（ethylene-co-octene） blend, Injection-compression molding

中图分类号:

O631

TrendMD:

黄辉龙, 黄汉雄. 注压成型纳米结构PP/POE共混物表面的液滴低温冲击行为. 高等学校化学学报, 2021, 42(10): 3195.

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图/表 10

Scheme 1 Schematics of injection?compression molding process for replicas with nanopillars on their surfaces

Table 1 Heights(H) and corresponding velocities(v) of droplets in impact tests

H/mm	10	30	50	70	90	110	130	150	170	190	210
v/（m·s^-1）	0.44	0.77	0.99	1.17	1.33	1.47	1.60	1.71	1.83	1.93	2.03

Scheme 2 Schematics of supported(A) and cantilever(B) modes in droplet impact tests

Fig.1 FESEM images of anodic stainless steel template(A) and its fractured surface(B), PP(C) and PP/POE blend(D) replica surfacesInset of (A) is magnified FESEM image.

Fig.2 Typical snapshots of droplets with impact velocities(v) of 0.44 m/s(A, C) and 2.03 m/s(B, D) impacting on PP(A, B) and PP/POE blend(C, D) replica surfaces with ?10 ℃ under supported mode

Fig.3 Typical snapshots of droplets with impact velocities of 0.44 m/s(A, C) and 2.03 m/s(B, D) impacting on PP(A, B) and PP/POE blend(C, D) replica surfaces with ?10 ℃ under cantilever mode

Fig.4 Contact time(tc), spreading time(tspr), and retracting time(tret) for droplets withvarying impact velocitiesimpacting on PP and PP/POE blend replica surfaces with ?10 ℃ under supported(A) and cantilever(B) modes* Indicates occurrence of partial pinning.

Scheme 3 Schematics of droplet impact processes on PP/POE blend replica surface with ?10 ℃ under supported(Ⅰ) and cantilever(Ⅱ) modes

Fig.5 Time?resolved images of freezing processes of 50 μL droplets on PP counterpart(A), PP replica(B) and PP/POE blend replica(C) surfaces

Fig.6 Ice adhesion strengths on PP counterpart, PP replica and PP/POE blend replica surfaces

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