專利名稱：具有低冰粘附力的防覆冰涂料及其制法和應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于化學(xué)化工、材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及一類具有低冰粘附力的防覆冰涂料及其制法和應(yīng)用。
背景技術(shù)：
能源問題是制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展的世界性問題。在自然界中，結(jié)冰或結(jié)霜是十分普遍的現(xiàn)象，當(dāng)空氣中的水蒸氣接觸到溫度低于冰點(diǎn)溫度的基材表面時(shí)，就會(huì)發(fā)生相變結(jié)霜的的現(xiàn)象，但是在生產(chǎn)生活中結(jié)冰或結(jié)霜會(huì)造成不必要的能源的浪費(fèi)，導(dǎo)致安全隱患甚至產(chǎn)生災(zāi)難性的事故，對人們的生產(chǎn)生活產(chǎn)生了極大的影響:如2003年包頭空難中，飛機(jī)在機(jī)場過夜時(shí)機(jī)翼因結(jié)霜未除造成飛機(jī)墜毀；2008年初，我國南方部分地區(qū)遭受了歷史罕見的低溫雨雪冰凍災(zāi)害，導(dǎo)致電網(wǎng)設(shè)施遭受嚴(yán)重破壞，電網(wǎng)陸續(xù)發(fā)生輸電線路倒桿、倒塔、斷線等情況，引起大范圍的電力供應(yīng)中斷，給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民群眾生活帶來了嚴(yán)重影響，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)上千億元。2010年美國大陸航空公司一架客機(jī)因機(jī)翼結(jié)冰而導(dǎo)致墜毀。因此研究冷基材表面上的結(jié)霜或結(jié)冰機(jī)理，探索有效的除霜除冰的方法一直倍受國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。盡管經(jīng)過幾十年來的國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)和理論研究，取得許多學(xué)術(shù)成果，但是在防結(jié)冰/霜材料上的研究仍未能取得突破性的進(jìn)展。目前，對于防結(jié)冰的材料的研究主要分為兩大類的方法，第一大類是采取主動(dòng)的方法，常見的有以下幾種:(I)機(jī)械除冰:即通過適當(dāng)?shù)某ぞ哌M(jìn)行除冰，很明顯，雖然成本低但是會(huì)耗費(fèi)大量的人力物力，并且這種方法受天氣和地域限制，無法大面積推廣使用，受到一定局限；(2)加熱除冰法:包括電熱除冰(CN 101120217A ；CN 102136710A)和光熱除冰(CN101499635A ;CN 101562320A)等方法，但是這兩種方法由于其能耗比較大，技術(shù)工藝仍需完善而限制了其推廣和應(yīng)用；(3)化學(xué)添加劑:添加劑通常為鹽類如氯化鈉或液體如乙二醇等，加入添加劑后使水的凝固點(diǎn)降低從而起到防結(jié)冰的效果，但是這種方法使用的溫度范圍有限 ，并且會(huì)污染土壤，破壞環(huán)境，世界上很多國家已經(jīng)減少添加劑的使用；生化的方法:通過提取生物體內(nèi)的抗凍蛋白(Devries,A.L.；ffohlschlag,D.E.Science1969，163，1073-1075 ；Hargens, A.R.，Science，1972，176，184-186 ;Davies，P.;Hew，C.FASEB J.1990，4，2460-2468 ;Esser_Kahn A.P.；Trang V.；Francis M.B.J.Am.Chem.Soc.2010，132，13264-13269)用于防結(jié)冰，很明顯這種方法的成本較高，目前雖然在實(shí)驗(yàn)中取得了一定的進(jìn)展，但要大面積推廣和應(yīng)用還有許多技術(shù)問題需要解決。第二大類是采取被動(dòng)的辦法，在基材表面涂上防冰霜涂層，主要有兩種防冰霜材料:(I)親水性防冰霜材料(CN 1061987A ；CN 1044947A ；CN 1048053A ；CN 1104674A ；CN 1632014A ；CN 1916094A)，親水涂層可吸附大量的水，并且加入乙二醇等降低凝固點(diǎn)實(shí)現(xiàn)防冰霜的作用，但親水材料使用的溫度及濕度范圍有限，并且污染后會(huì)降低甚至失去防結(jié)冰的功能；(2)疏水性防冰霜材料(CN 1556161A ；CN 101307208A)，疏水性或超疏水性基材表面由于其具有較低的表面能，水滴在光滑的疏水基材表面上不能完全鋪展，水滴與基材表面的接觸面積較小，當(dāng)水滴在基材表面的接觸角隨著基材表面能的降低而增加時(shí)，水滴與基材表面的接觸面積就逐漸減小，從而降低了基材表面與水滴之間的熱傳導(dǎo)，延緩了水滴的凝固，但是隨著時(shí)間的增長和溫度的降低，疏水材料便失去了防冰霜的作用。因此不論是采取主動(dòng)的方法還是被動(dòng)的方法均具有一定的局限性，當(dāng)環(huán)境溫度降至更低或當(dāng)基材表面受到污染后，基材表面的涂層就會(huì)失去防覆冰的作用。根據(jù)文獻(xiàn)(KoopT.；Luo B.P.；Tsias A.；Peter T.Nature 2000，406，611-614)中的報(bào)道，當(dāng)電解質(zhì)溶液中電離出的離子的濃度為5 lOmol/kg時(shí)，水的凝固點(diǎn)降低至_50°C _70°C，因此本案發(fā)明人制備了具有低冰粘附力的防覆冰涂料，該防覆冰涂料由無機(jī)材料和交聯(lián)的親水性聚電解質(zhì)組成。將無機(jī)材料和交聯(lián)的親水性聚電解質(zhì)混合并球磨，然后涂覆在基材上成膜固化得到防覆冰涂層。其中無機(jī)材料提高了所述防覆冰涂層表面的機(jī)械性能和耐磨性，而交聯(lián)的親水性聚電解質(zhì)吸水后電離出大量的離子，高濃度的離子溶液降低了水的冰點(diǎn)而使防覆冰涂層的表面形成不結(jié)冰的水膜，這樣相當(dāng)于在冰與防覆冰涂層的表面之間引入了一層潤滑層，使得基材表面的冰層在重力或風(fēng)力的作用下脫離基材表面，達(dá)到防覆冰的效果。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供具有低冰粘附力的防覆冰涂料。本發(fā)明的另一目的在于提供一種具有低冰粘附力的防覆冰涂料的制備方法

本發(fā)明的還一目的在于提供具有低冰粘附力的防覆冰涂料的應(yīng)用。本發(fā)明的具有低冰粘附力的防覆冰涂料能使冰與涂覆有該防覆冰涂料的基材表面具有超低冰粘附力(相當(dāng)于在冰與涂層的表面之間提供了一個(gè)潤滑層，使冰粘附力大大降低，并能使結(jié)冰后的冰層很容易脫離基材表面)，所述的防覆冰涂料是由無機(jī)材料和交聯(lián)的親水性聚電解質(zhì)組成，按質(zhì)量百分比計(jì)，無機(jī)材料占所述防覆冰涂料總質(zhì)量的10% 30 %，親水性聚電解質(zhì)占所述防覆冰涂料總質(zhì)量的70 % 90 %。所述的無機(jī)材料選自硅藻土、硅膠、活性氧化鋁、活性炭、粘土、蒙脫土中的一種或幾種。所述的交聯(lián)的親水性聚電解質(zhì)是將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30 % 60 %的親水性聚電解質(zhì)單體、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1% 5%的交聯(lián)劑、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1% 5%的硅烷偶聯(lián)劑促進(jìn)劑和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1% 0.5%的引發(fā)劑溶解在余量的有機(jī)溶劑中形成溶液，攪拌均勻后，在光照(如10mw/cm2 30mw/cm2 (波長為365nm))條件下由所述的引發(fā)劑引發(fā)自由基聚合反應(yīng)得到。所述的親水性聚電解質(zhì)單體為陽離子單體，其結(jié)構(gòu)式為:
權(quán)利要求
1.一種具有低冰粘附力的防覆冰涂料，其特征是:所述的防覆冰涂料是由無機(jī)材料和交聯(lián)的親水性聚電解質(zhì)組成，按質(zhì)量百分比計(jì)，無機(jī)材料占所述防覆冰涂料總質(zhì)量的10 % 30%，交聯(lián)的親水性聚電解質(zhì)占所述防覆冰涂料總質(zhì)量的70 % 90% ; 所述的無機(jī)材料選自硅藻土、硅膠、活性氧化鋁、活性炭、粘土、蒙脫土中的一種或幾種。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有低冰粘附力的防覆冰涂料，其特征是:所述的交聯(lián)的親水性聚電解質(zhì)是由以下方法制備得到的:將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30% 60%的親水性聚電解質(zhì)單體、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1% 5%的交聯(lián)劑、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為I % 5%的硅烷偶聯(lián)劑促進(jìn)劑和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1% 0.5%的引發(fā)劑溶解在余量的有機(jī)溶劑中形成溶液，攪拌均勻后，在光照條件下由所述的引發(fā)劑引發(fā)自由基聚合反應(yīng)得到； 所述的親水性聚電解質(zhì)單體為陽離子單體，其結(jié)構(gòu)式為:
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的具有低冰粘附力的防覆冰涂料，其特征是:所述的交聯(lián)劑選自二乙烯基苯、二苯甲烷二異氰酸酯、N，N-亞甲基雙丙烯酰胺、1，1，2，2_四烯丙氧基乙烷、甲基丙烯酸烯丙酯、三羥甲基丙烷三甲基丙烯酸酯、乙二醇二甲基丙烯酸酯、三乙二醇二甲基丙烯酸酯、I，4- 丁二醇二甲基丙烯酸酯中的一種或幾種。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的具有低冰粘附力的防覆冰涂料，其特征是:所述的硅烷偶聯(lián)劑促進(jìn)劑選自乙稀基二甲氧基娃燒、乙稀基二乙氧基娃燒、稀丙基二甲氧基娃燒、稀丙基二乙氧基硅烷、Y -甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷、Y -甲基丙烯酰氧丙基三乙氧基硅烷和甲基丙烯酰氧丙基三(異丙氧基)硅烷中的一種或幾種。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的具有低冰粘附力的防覆冰涂料，其特征是:所述的引發(fā)劑選自苯基雙(2，4，6_三甲基苯甲?；?氧化膦，2-羥基-2-甲基-1-苯基丙酮、1-羥基環(huán)己基苯基甲酮、2-甲基-2-(4-嗎啉基)-1-[4-(甲硫基)苯基]-1-丙酮、2，4，6_三甲基苯甲酰基-二苯基氧化膦、2，4，6_三甲基苯甲?；交⑺嵋阴ァ?-二甲氨基-2-芐基-l-[4-(4-嗎啉基)苯基]-1-丁酮和2-羥基-2-甲基-l-[4-(2-羥基乙氧基)苯基]-1-丙酮中的一種或幾種； 所述的有機(jī)溶劑選自甲醇、乙醇、異丙醇、丁醇、四氯化碳中的一種或幾種。
6.一種具有低冰粘附力的防覆冰涂料的制備方法，其特征是:所述的制備方法包括以下步驟: (1)交聯(lián)的親水性聚電解質(zhì)的制備:將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30% 60%的親水性聚電解質(zhì)單體、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1% 5%的交聯(lián)劑、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為I % 5%的硅烷偶聯(lián)劑促進(jìn)劑和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1% 0.5%的引發(fā)劑溶解在余量的有機(jī)溶劑中形成溶液，攪拌均勻后，在光照條件下由所述的引發(fā)劑引發(fā)自由基聚合反應(yīng)，得到所述的交聯(lián)的親水性聚電解質(zhì)； (2)防覆冰涂料的制備:將占防覆冰涂料總質(zhì)量10% 30%的無機(jī)材料，與占防覆冰涂料總質(zhì)量70% 90%的由步驟(I)制備得到的交聯(lián)的親水性聚電解質(zhì)混合并球磨，得到所述的防覆冰涂料； 所述的無機(jī)材料選自硅藻土、硅膠、活性氧化鋁、活性炭、粘土、蒙脫土中的一種或幾種； 所述的親水性聚電解質(zhì)單體為陽離子單體，其結(jié)構(gòu)式為:
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征是:所述的交聯(lián)劑選自二乙烯基苯、二苯甲烷二異氰酸酯、N，N-亞甲基雙丙烯酰胺、1，1，2，2_四烯丙氧基乙烷、甲基丙烯酸烯丙酯、三羥甲基丙烷三甲基丙烯酸酯、乙二醇二甲基丙烯酸酯、三乙二醇二甲基丙烯酸酯、1，4-丁二醇二甲基丙烯酸酯中的一種或幾種。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征是:所述的硅烷偶聯(lián)劑促進(jìn)劑選自乙烯基三甲氧基娃燒、乙稀基二乙氧基娃燒、稀丙基二甲氧基娃燒、稀丙基二乙氧基娃燒、Y ~甲基丙稀酰氧丙基三甲氧基硅烷、Y-甲基丙烯酰氧丙基三乙氧基硅烷和甲基丙烯酰氧丙基三(異丙氧基)硅烷中的一種或幾種。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征是:所述的引發(fā)劑選自苯基雙(2，4，6_三甲基苯甲?；?氧化膦，2-羥基-2-甲基-1-苯基丙酮、1-羥基環(huán)己基苯基甲酮、2-甲基-2-(4-嗎啉基)-1_[4-(甲硫基)苯基]-1-丙酮、2，4，6-三甲基苯甲?；?二苯基氧化膦、2，4，6-三甲基苯甲酰基苯基膦酸乙酯、2- 二甲氨基-2-芐基-l-[4-(4-嗎啉基)苯基]-1- 丁酮和2-羥基-2-甲基-1- [4- (2-羥基乙氧基)苯基]-1-丙酮中的一種或幾種； 所述的有機(jī)溶劑選自甲醇、乙醇、異丙醇、丁醇、四氯化碳中的一種或幾種。
10.一種根據(jù)權(quán)利要求1 5任意一項(xiàng)所述的具有低冰粘附力的防覆冰涂料的應(yīng)用，其特征是:將所述的防覆冰涂料直接涂覆在基材表面、干燥成膜并固化，得到具有低冰粘附力的防覆冰涂層。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的應(yīng)用，其特征是:當(dāng)環(huán)境溫度及環(huán)境濕度能夠?qū)е禄谋砻娼Y(jié)冰時(shí)，所述的防覆冰涂層中的交聯(lián)的親水性聚電解質(zhì)吸水后使防覆冰涂層的表面形成不結(jié)冰的水膜。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的應(yīng)用，其特征是:所述的環(huán)境溫度是0°C _40°C;所述的環(huán)境濕度是40 % 80%。
13.根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的應(yīng)用，其特征是:所述的基材是銅、鐵、鋁或玻璃。
全文摘要
本發(fā)明屬于化學(xué)化工、材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及一類具有低冰粘附力的防覆冰涂料及其制法和應(yīng)用。本發(fā)明的防覆冰涂料是由無機(jī)材料和交聯(lián)的親水性聚電解質(zhì)組成。將無機(jī)材料和交聯(lián)的親水性聚電解質(zhì)混合并球磨，然后涂覆在基材上成膜固化得到防覆冰涂層。其中無機(jī)材料提高了所述防覆冰涂層表面的機(jī)械性能和耐磨性，而交聯(lián)的親水性聚電解質(zhì)吸水后電離出大量的離子，高濃度的離子溶液降低了水的冰點(diǎn)而使防覆冰涂層的表面形成不結(jié)冰的水膜，這樣相當(dāng)于在冰與防覆冰涂層的表面之間引入了一層潤滑層，使得基材表面的冰層在重力或風(fēng)力的作用下脫離基材表面，達(dá)到防覆冰的效果。
文檔編號C09D7/12GK103194130SQ201210005480
公開日2013年7月10日 申請日期2012年1月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月10日
發(fā)明者陳京, 王健君, 宋延林 申請人:中國科學(xué)院化學(xué)研究所