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(qiáng)的水合作用，這種分子稱為“不結(jié)冰水”，這種“不結(jié)冰水”通常為幾個(gè)分子層厚，緊挨著“不結(jié)冰水”的水分子稱為“鍵合水”，這些水分子在低于凝固點(diǎn)時(shí)也不會(huì)結(jié)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(zhì)相同，在達(dá)到凝固點(diǎn)時(shí)就會(huì)結(jié)冰。正是由于自由水的這一性質(zhì)使得通常情況下低溫下冷表面上結(jié)冰結(jié)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(yīng)”來控制冰晶的生長，從而起到抑制結(jié)冰的效果。

理論研究方面，在1990年Leslie Leiserowitz首次研究了脂肪醇對(duì)于成核溫度的影響。研究結(jié)果表明，與能夠有效防結(jié)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(dǎo)冰成核，相應(yīng)的具有大的疏水基團(tuán)的脂肪酸和醇可以使冰點(diǎn)降低12℃左右;同時(shí)他指出，兩性分子導(dǎo)致的凝固點(diǎn)降低不僅與單位表面積上的分子數(shù)有關(guān)，還與脂肪醇鏈的長度和奇偶性有關(guān)。對(duì)于C_nH_2n+1OH同系物來說，當(dāng)n為奇數(shù)時(shí)，成核溫度在0℃左右，當(dāng)n為偶數(shù)時(shí)，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(dǎo)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(xué)者研究了親水性表面上抑制結(jié)霜的可能性。Highgate通過實(shí)驗(yàn)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(dá)-20℃而不結(jié)冰。有的學(xué)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(fù)實(shí)驗(yàn)后，涂層便失去作用。Okoroafo采用高聚物親水表面進(jìn)行了兩個(gè)多小時(shí)的結(jié)霜實(shí)驗(yàn)測量，可使結(jié)霜速率和霜層厚度減少10%~30%，但是在這種聚合物的網(wǎng)絡(luò)中，吸收的水量存在一個(gè)臨界值，只有在這個(gè)臨界值之下，聚合物網(wǎng)絡(luò)中吸收的水分子才不會(huì)結(jié)冰。Lee的研究表明親水性表面上霜層厚度確實(shí)比普通表面上要少，但發(fā)現(xiàn)其冷表面結(jié)霜的密度更大些，研究發(fā)現(xiàn)隨著相對(duì)濕度增大，親水性涂層延緩結(jié)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(duì)結(jié)霜的影響。而 Jongmin Shin等人則研究了不同的涂層厚度對(duì)結(jié)霜的影響，研究表明，親水性涂層越厚，其抑制結(jié)霜的效果越明顯，但并沒有分析涂層厚度何時(shí)為最佳，使其既能保證整體良好的導(dǎo)熱性、涂層總耗最小，而且抑制結(jié)霜效果最顯著。Rault等發(fā)現(xiàn)當(dāng)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(jié)晶，并且不結(jié)晶水的比例與混合的比例相關(guān)。其原因是在降溫過程中，在到達(dá)水的結(jié)冰溫度之前聚合物水的無定形相已經(jīng)凝固，使得水不會(huì)凝固Inada等研究了聚乙烯醇在抑制冰結(jié)晶方面的作用，并把這種抑制效果和I型抗凍蛋白進(jìn)行對(duì)比。發(fā)現(xiàn)當(dāng)聚乙烯醇的濃度即使降低至10^-7mol/L時(shí)，冰晶的大小也不會(huì)隨著時(shí)間發(fā)生變化，具有較強(qiáng)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(guān)。

圖2(a)聚乙烯醇和(b)聚丙烯酸中冰晶的退火的光學(xué)照片

(c)冰晶大小和溶質(zhì)的關(guān)系

(d)冰晶大小和聚乙烯醇濃度的關(guān)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(biāo)化合物，然后使用溶膠凝膠法使目標(biāo)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(diǎn)，因此這種凝膠化學(xué)的方法可以用來做防結(jié)冰涂層。通過在風(fēng)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(jié)冰20分鐘后的照片。

超親水防結(jié)冰涂層：http://jxysgs.cn