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6/6滚筒冻粘特性研究1。1冻粘研究意义在低温环境下到处可见冻粘现象,它给人们的生产生活带来很多负面影响.如冬季路面的结冰问题,不仅妨碍交通安全,而且还降低道路畅通能力；在煤矿运输行业,物料对承载物的粘附严重影响运输效率;在建筑行业,冻土现象不仅影响建筑物的可靠性，还会增加建筑施工周期;在河坝、水运中，冻粘的存在也直接对安全带来隐患。对冻粘现象的关注是从20世纪飞机的研发应用开始的，在这之前冻粘现象虽然普遍存在，但是由于当时生产力较低而且科技发展程度不高，冻粘的副作用没有明显的显现出来，因而没有对冻粘现象进行相应研究。随着科技发展、生产力水平的提高，各行各业对能源消耗、可靠性、安全性的要求不断提高，冻粘带来的负面影响在整个系统中的比重也不断加大，冻粘现象已经成为急待解决的关键问题。据资料表明美国在１998年采用对防治路面积雪结冰最为有效的方法一撒盐溶化法，使用盐40万吨,是全盐总消耗的5%,消耗资金达1２亿美元以上,这仅为撒盐防治冬季路面积雪结冰的消耗,它只占防治冬季路面问题的30%左右，资料显示美国在冬季路面维护方面每年耗费资金达２０亿美元以上;航空业中的低温(环境低温及高空低温)产生的飞行器外体的霜层冻粘附着现象，严重影响了飞行器的运行效率，影响飞行器的安全性.例如对双螺旋HS1２4型飞机的试验表明，2－4cm厚的冻粘霜层表面沉积，意味着飞机将增加19０kg的重量,同时它对飞机外形的改变直接影响飞机的空气力学特性，严重影响飞机安全性，限制了航空业的发展；在矿山行业中矿车冻粘现象直接影响生产效率,使其效率降低60%，能源消耗增加30％以上,是严重制约矿山生产的难点问题;据日本有关文献报告，由于每年降雪结冰致使高压输送线断裂而引起的火灾,人身伤亡时有发生;通讯行业中由于积雪引起的信号质量下降甚至中断所导致的经济损失更是无法计量；在运输行业物料对承载面的冻粘粘附现象更是常见，据报道冬季机车运载能力下降２0%,自卸车运输能力降低22%；建筑行业中由于冻结冻胀现象，严重影响施工进度，也有由于冻粘引起建筑物破坏倒塌的报道。显然冻粘现象己经成为严重影响科学发展、提高工作效率、提高安全性的制约因素。对冻粘现象、规律及机理的研究是亟待解决的研究课题；基于冻粘机理的防治技术的研发已成为解决冻粘问题、提高生产率、安全性和可靠性的急切任务。1。2冻粘防治技术概述冻粘现象给各行各业带来了诸多的不利因素.在现代以效率与安全性为主导的时代，有效的控制不利因素，消除安全隐患，降低无功消耗是最为主要的目的.冻粘现象在各领域中的表现主要是粘附引起的各种消耗加大、安全系数降低等。下表1—1列出了相关领域中冻粘现象以及主要的解决方案。表１—1冻粘现象及防范技术领域现象及影响防范对策交通路面积雪、结冰；警示牌粘雪湿滑提示作用，降低安全系数撒盐；人工或机械敲击;机器加热烘干：增加路面粗糙度；赋予路面柔性制冷结霜现象,制冷效率降低停机自动融霜；人工清理；盐水喷淋；热气融霜;电热融霜电力电力线因积雪断裂，塔台倒塌，引起停电甚至严重事故电力线上安装加热装置;塔台进行防粘涂料涂敷通讯天线积雪结冰，直接影响信号质量,引起通讯中断表面低温材料涂敷煤矿矿物运输中冻结,严重影响工作效率敲击；加热;机械抓刮；柔性衬底航空在高空低温中飞行器的机翼，机械装置的冻结，直接影响整个系统安全表面低温材料涂敷;表面改性加工；防冻油机械在低温中的机械运动，容易引起机械故障，使消耗增大加热；防冻油其他使露天工作部件操纵失灵人工或其他从上述冻粘现象可知，冻粘的负面影响主要是通过以下几个方面表现：1．提高阻力、增加负荷；2.粘附；3．冻结膨胀；４．表面掩盖.其中提高阻力、增加负荷和粘附作为最主要的冻粘效应普遍存在；冻结膨胀在建筑业,矿井业中的破坏效果相当严重，己成为这一领域主要的研究课题;表面掩盖作为粘附作用的产物,主要表现为积雪，结霜现象。以上冻粘的影响在任何冻粘现象中都同时存在，只是表现程度不同。对冻粘现象影响的研究可以为冻粘机理及防治技术的研究提供帮助。通过对表1—１中不同领域与行业的冻粘防治方案、防治技术的分析，可知冻粘的清理以机械方法最为普遍，同时也可以采用控制和干扰冻粘因素的防治方法。以下是对现有的主要冻粘防范技术进行的综合概括：a.人工清理法人工手动操作，在工件己经形成冻粘的情况下,利用各种工具对冻粘表面进行敲击,例如用铲或者其他方式对冻粘表面进行破坏，此种方法历史悠久，且可行性高，至今在很多领域中广泛使用，如煤矿业、交通运输业等。此种方法的优点是设备投入少，操作方便，其缺点是减损部件的寿命、浪费人工资源及清理时间长.b．化学试剂法化学试剂法是利用化学试剂的某种特性延缓冻粘形成过程、降低冻粘强度的方法,最为典型的应用领域是对冬季路面积雪的防治及清理。在冬季路面撒盐是至今为止最为有效且最为常用的清理路面积雪结冰的方法,其优点是见效快，效果好，缺点是对路面有腐蚀作用,对周围环境的污染较重，且每次消耗较高.化学试剂法还常用于煤矿运输领域.化学试剂法的主要研究方向是寻找一种有盐的功效但却污染较少的试剂，虽然已经有多款研究成果及产品问世，但是由于其作用效果或经济性等问题都无法替代盐.ｃ。加热法冻粘是在低温条件下产生的现象，因此对物件加热可很好地解决冻粘问题。但加热方法能耗大，在使用上受到一定的限制.在矿岩、路面、制冷等领域曾采用过相关技术，但是现在己相继停止研究。加热法仅应用于局部的防冻粘.d．表面涂附技术材料的表面能是材料所具有的一种特性，它直接影响材料表面的粘附能力，以材料对水的湿润性作为其度量标准。以往的研究表明,材料的表面能越大其对水的湿润性越好,越容易形成粘附.从材料表面湿润性研究出发,将低能表面涂附于材料表面可很好地解决粘附问题,根据此种理论，研究者开始在防冻粘研究中使用低能表面，并取得了一定的成果.现今己知的表面能最低的聚四氟乙烯(ＰTFE)主要用于此方面的研究.在防冻粘领域当前已有商品化的产品应用于冬季露天工作部件及标示件.但是,由于表面涂附技术是利用低能表面在物体表面形成涂附层,低能表面与材料表面很难达到高强度粘合,因此在长时间应用情况下涂附层会发生脱落。e．仿生技术通过对自然界中的动植物的研究发现,某些动植物具有优良的脱附功能,如很多植物和土壤动物表皮拥有很好的防粘特性。有效的利用生物的这种特性可很好地解决工程中的问题。现在主要研究的仿生技术领域有：·仿生表面技术生物表面的防粘特性不仅与生物分泌的油脂有关而且还与生物表面结构有关.研究表明，生物表面的憎水性主要与其表面结构有关.到目前为止关于表面结构对防冻粘的研究还仅限于表面粗糙度对憎水性的影响。·仿生隔离层技术隔离层是指在物料与承载界面间形成人为的隔离使其无法形成有效的接触面,隔离层材料主要采用柔性低能、高强度材料编织形成。隔离层不仅在冻结期间隔离物料与承载面的直接接触,还在卸载期间通过柔性自由活动的脱离方式清理冻粘物料。此种方法己经试验成功并且取得较好的实际效果，但是其适用范围有限.除了上述的技术和方法以外,防冻粘技术还包括施加防冻液、机械震动法等,但这些方法使用范围也有限.由以上的冻粘防治技术可见,冻粘防治技术分为主动式和被动式两种。主动式技术方案是从冻粘机理分析出发在冻粘形成前或过程中对冻粘因素进行干扰达到防治冻粘的目的；被动式技术方案是在冻结形成后重新抑制冻粘因素或用机械和其他方法进行清理的技术.被动式冻粘防治方案以清理为主，其实施耗能大，难度高、效果差，虽然不是未来冻粘防治技术研发的方向，但是由于主动式冻粘防治技术研发的局限性，目前被动式冻粘防治技术还是主导技术。可见，有效的、可行的冻粘防治技术的开发必须依赖冻粘机理的更深入分析与研究。１．3冻粘理论研究现状冻粘是水冻结过程中对物体产生的粘附作用，因此冻粘的研究可以归结为冰对固体表面的粘附。对冻粘进行研究是为了最大限度减少冻粘粘附力，为此很多人进行了冻粘试验,得出了大量的结论，并提出了相关理论.下面就从冻粘界面层，影响冻粘的主要因素以及材料特性三方面对已有的冻粘理论进行综述。为了得到冻粘界面粘附层的形成规律，对冻粘界面层的研究是主要的研究方向。在此方面：NishｉkantSoｎwaｌkａlkａｒ就采用低温Ramａn微探针剪切仪对冰／固体粘附界面进行了观察分析,并提出冻粘粘附现象是由于界面冰层内部的氧原子与固体表面的原子相互作用产生的，即当固体表面与冰有较好的晶格匹配时具有很高的粘附力。IvanＡ。Rｙｚhkin通过对冻粘界面层的静电场分析，揭示了冰粘附的物理过程，建立了静电粘附模型。该模型揭示了冰表面的电性质与冰粘附的关系,并模拟给出了粘附能量的量值；吉田光则等通过湿雪对固体表面粘附现象的观察，提出冰对固体表面的粘附现象是由雪(冰颗粒）与固体界面之间的毛细管收缩作用产生的拉布拉斯力引起的.其公式如１—１所示。（１－１）式中:-水的表面张力;-为界面水膜曲率半径。附着力受到材料表面的化学性质、物理状态以及湿雪的含水量、密度等因素的影响；Ｘ.Fan等利用显微观察冰粒之间的粘附力,提出粘附强度随时间和温度变化而改变；Ｌ．Rｉtｚ等通过对飞机上的粘附冰层的试验，提出了固体表面冻粘粘附冰层形成机理,阐明飞机机翼上的冻粘冰层是空气中的过饱和水滴由于温度过低而在飞机表面上的吸附粘着而产生的。以上的冻粘粘附机理仅仅在单一的层面上对冻粘现象进行了分析,并不能完全说明冻粘机理,到目前为止尚无可以解释所用冻粘现象的冻粘粘附机理。很多科学家也对影响冻粘强度的主要因素进行了大量的研究。WD.Basｃom等通过试验提出影响冻粘粘附强度的主要因素有固体材料特性和冰的界面特性。作为粘附界面中的冰是影响冻粘强度的主要因素，其特性受到材料基底及其他因素的影响：吉田光则对常用几种工程材料的冻粘特性进行了测试。试验表明温度、粗糙度、冻结时间、材料热特性、冻结方式和湿润性等因素都会影响冻粘粘附强度；Alanｓａtan。S等对冻结形态的研究表明，冻粘温度及温度降低速率对冻粘效应产生影响。从以上文献中可知:冻粘强度是由粘附界面冰层的特性决定的，而粘附冰层形态又受到温度、含水量、冻结速率、材料特性及表面形态等因素的影响,因此对这些因素的作用效应进行分析，合理运用这些因素效应是未来冻粘防治技术发展的方向。影响冻粘的因素中已经包含材料特性,但是由于材料特性的研究直接关系到冻粘防治技术开发,因此这里单独叙述。BarｂaraSoｍlo等对铝表面的结构进行了改良,进行了冻粘力测试试验。通过对各种涂层的冻粘特性进行试验研究，发现涂层的憎水性、粗糙度对降低粘附有较好的效果；MiltoｎＬandｙ对冰在塑料表面的粘附进行了研究。研究表明材料的化学特性、表面粗糙度和表面能对冻粘效应有影响。E．H．Aｎｄrews对柔性基底的冻粘特性进行了试验研究，提出了多种冻粘破坏形态，并且对冻结温度、速率和基底厚度对冻粘特性的影响进行了分析。研究材料特性如热特性（热传导性,比热,热膨胀系数）及表面粗糙度等对冻粘强度的影响,可以在发展新型的、有效的防冻粘技术上起至关重要的作用，此方面的研究