CN101063022A - 抗蚀防冰涂层 - Google Patents
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Abstract
一种使用防冰涂层保护制品的方法，包括在制品的至少一个表面上施涂防冰组合物，该防冰组合物包括至少一种不含添加剂的聚硅氧烷；以及固化该防冰组合物以形成显示约19kPa到约50kPa的冰剪切强度的防冰涂层。
Description
技术领域
本发明涉及涂层。更具体地，本发明涉及在各种部件上使用的抗蚀防冰涂层。
背景技术
飞机和燃气涡轮发动机结构上结冰已经是航空领域中的一个长期问题。冰的物理存在可能不利地影响诸如机翼的方向舵、风扇叶轮、进口导叶片、风扇出口导叶等的空气动力性能。另外，形成的冰的外加重量可能给部件施加预料不到的负荷，并且在极端情况下，甚至可能超过此类部件的承受力。此外，形成的冰可能脱落，这样可能导致对飞机或发动机的严重破坏。
已经研发了防冰系统以防止在各种飞机部件上，例如靠近发动机进口的那些部件上结冰。许多传统系统利用来自发动机芯内部的高温空气，该高温空气被泵送到需要热量以防止结冰的区域。这种系统具有许多缺点：系统结构复杂；显著增加了发动机的重量；需要复杂的热量控制系统；由于损失芯空气流导致发动机效率降低；以及由于使用高除冰温度，通常需要昂贵的材料或者限制了可能用于部件的材料。因此，即使部分解决结冰问题也可以具有重大的经济效益(即，如果防冰系统可以更简单、重量更轻和/或使用更少的芯空气流用于加热等)。
憎冰涂层，即冰不能很好附着的涂层可以降低或消除对传统防冰系统的需求。但是，许多现有憎冰涂层基于可能含有固态或液态填料的热塑性或热固性树脂。由于这些憎冰涂层的组成，固态或液态填料沉降在涂布材料表面之上。该材料表面上的流体界面或弱边界层提供至多300kPa的冰附着强度。但是，未保护的热固性或热塑性材料通常抗蚀性不良，并且加入的固态或液态填料进一步使其抗蚀性降低。这一点是不合要求的，固为大部分需要结冰保护的发动机和飞机部件处于严重的侵蚀性环境中。
因此，需要比现有憎冰涂层具有更好抗蚀性的憎冰涂层。
因此，进一步需要不含固态和/或液态填料的憎冰涂层。
发明内容
根据本发明，一种使用防冰涂层保护制品的方法大致包括在制品的至少一个表面上施涂防冰组合物，该防冰组合物大致包括至少一种不含添加剂的聚硅氧烷；以及固化该防冰组合物以形成显示约19kPa到约50kPa冰剪切强度的防冰涂层。
根据本发明的另一方面，一种涂布制品大致包括具有至少一个表面的制品；和设置在所述至少一个表面上的显示约19kPa到约50kPa冰剪切强度的防冰涂层，其中该防冰涂层包括防冰组合物，该防冰组合物大致包括至少一种不含添加剂的聚硅氧烷。
根据本发明的又一方面，一种涂布叶轮大致包括具有内侧幅宽区域的叶轮；和设置在至少内侧幅宽区域上的显示约19kPa到约50kPa冰剪切强度的防冰涂层，其中该防冰涂层包括防冰组合物，该防冰组合物大致包括至少一种不含添加剂的聚硅氧烷。
以下附图和说明书中阐述了本发明的一个或多个实施方案的细节。根据说明书和附图以及权利要求书，本发明的其它特征、目的和优点将是显而易见的。
附图说明
图1为使用在此所述的示例性防冰涂层保护制品的一种示例性方法的图示；
图2为示例性风扇叶轮和在其上从内侧流动通道到最小幅宽位置施涂的示例性防冰涂层的位置的图示；
图3为本发明的包括NuSilR-2180的一些防冰组合物的冰附着性能的对比图解说明；
图4为本发明的包括NuSilR-2180的一些防冰组合物的抗蚀性的对比图解说明；
图5为暴露于环境之后NuSilR-2180的冰附着性能的图解说明；和
图6为暴露于环境之后NuSilR-2180的抗蚀性的图解说明。
各附图中的相同参考数字和名称表示相同元件。
具体实施方式
本发明涉及具有改进的抗蚀性的憎冰涂层。如在此和贯穿全文使用的，“憎冰涂层”或“防冰涂层”为冰不能附着的涂层，或者其中冰对其的附着强度相对于下层基材极大降低的涂层。术语“添加剂”表示可以加入到在此所述的示例性防冰涂料组合物和所得防冰涂层中的任何固态和/或液态填料。
不同于现有技术的基于可含有固态或液态填料的热塑性或热固性树脂的防冰涂层，在此所述的示例性防冰涂层基于不含添加剂的抗蚀弹性体材料。该示例性防冰涂层通常显示约19kPa到约50kPa的冰剪切强度，具有约37kPa的平均冰剪切强度，提供约-65(-54℃)到约400(204℃)以及偏移到500(260℃)的抗蚀性/保护，因此也具有增强的热稳定性。
一种示例性防冰涂料组合物可以包括至少一种不含添加剂的高分子量硅氧烷基弹性体材料，并且特别是至少一种不含添加剂的聚硅氧烷。聚硅氧烷是可以在约-150(-100℃)直至约400(204℃)的环境中使用的弹性体材料。直至约500(260℃)聚硅氧烷也是热稳定的。适合的聚硅氧烷可以为高分子量聚硅氧烷，例如但不限于铂固化的乙烯基封端的聚二甲基硅氧烷、过氧化物固化的乙烯基封端的聚二甲基硅氧烷、聚苯基甲基硅氧烷、4-聚三氟丙基甲基硅氧烷、聚二苯基硅氧烷等。在此所述的防冰涂料组合物可以NuSilR-2180商购自NuSil Technology，LLC，Santa Barbara，California。在本发明人的发现之前，以前并不知道NuSilR-2180显示有利的防冰性能和憎冰特性，并且并未用作防冰涂料组合物。
使用在此描述的防冰涂层保护制品的示例性方法可以包括在图1的步骤10中，在制品的至少一个表面之上施涂底漆以形成底漆涂层。底漆组合物可以包括硅烷偶联剂、钛酸盐偶联剂、或两者、包括上述至少一种的组合等，如本领域技术人员已知的。任选，偶联剂可以包括诸如铂、钯、铑的催化剂、包括上述至少一种的组合等，如本领域技术人员已知的。底漆涂层可以使用本领域技术人员已知的若干工艺的任何一种进行施涂。例如，底漆涂层可以通过喷涂(例如溶剂辅助喷涂、静电喷涂等)、刷涂、浸渍、包括上述工艺的至少一种的组合等施涂。所得的底漆组合物涂层可以具有约0.0001英寸到约0.0005英寸的厚度。
在图1的步骤12中，施涂底漆涂层之后，由至少一种上述不含添加剂的聚硅氧烷，例如NuSilR-2180组成的防冰组合物可以施涂于底漆涂层。在图1的步骤14中，一旦施涂，可以使防冰组合物固化，在底漆涂层之上形成防冰涂层。可以使用本领域技术人员已知的任何传统方法固化防冰涂层。例如，防冰涂层可以在约140(60℃)到约350(177℃)的烘箱中固化约30分钟到约135分钟以形成交联的硅氧烷基弹性体。所得的防冰涂层可以具有约5密耳到约20密耳的厚度。
按照其预定用途，使得到的防冰涂层承受弯曲和振动，以及反复暴露于高速的自然环境，也即风、雨和污物冲击。此外，防冰涂层能够耐受其它潜在有害因素，例如清洗液、防冰液、盐雾、喷气燃料、涡轮发动机润滑油等。此外，所得的防冰涂层在离心载荷下显示稳固的粘结强度。
如由本领域技术人员认识到的，可以使用在此所述的示例性防冰涂层保护横跨许多工业的各种制品。通常，保护设备免受自然环境，特别是冰的影响的任何工业需求都可以得益于使用在此所述的上述防冰涂层。例如，各种制品可以包括涡轮发动机部件、飞机部件、船舶、电力线、通信线等。现在参看图2，示出了用于涡轮发动机的示例性风扇叶轮20。风扇叶轮20可以涂有在此所述的示例性防冰涂层。如本领域技术人员了解的，示例性防冰涂层22可以沿着叶轮20例如从内侧流动通道施涂到最小幅宽位置。通常，风扇叶轮在至少这一区域中经受最严重的结冰，并且得益于使用在此所述的示例性防冰涂层。
实验结果
冰附着力测试
测试六种可商购产品以测定其冰附着力值。所有六种产品在钛和BMI/碳纤维复合材料基材上都满足250的最低温度要求，提供一定抗蚀性并显示低冰附着力。该产品包括以下产品：MicrophasePhasebreak B2；Microphase ESL；21st Century 51PC951；S&A ofFernandia RIP-4004；Kiss CoteMegaGuardLiquiCote；和NuSilR-2180。
使用零度锥(“ZDC”)测试测定冰附着力。ZDC测试使两个同轴圆柱形表面之间的环形间隙中的冰生长，然后测定将内圆筒或堆推出冰圈和外圆筒所需的力量。当其冻结时，安置在堆底部上的O形环抑制蒸馏的、去离子的和脱气的水渗出。测试之前，试样在约-10℃的温度需要约八小时完全冻结，以及约另外的40小时内应力松驰。然后使用保持推动内侧堆的速率的材料测试设备测试该试样。冰附着力测试结果在图3中图解说明。相比普遍认为是防冰涂层以及其它公知防冰涂层产品中的基准的Teflon，NuSilR-2180组合物显示显著改善的冰附着力性能。
砂蚀
测试相同的六种可商购产品，评价其耐受砂蚀的能力。在复合材料基基材和钛基基材上施涂每种产品作为涂层。在室温下进行测试。每种涂布的复合材料基材用MIL E5007碾碎的石英侵蚀剂以600英尺/秒的颗粒速率和20度入射角进行喷涂。砂蚀测试结果在图4中图解说明。与其它可商购憎冰涂层相比，复合材料基和钛基基材上的NuSil涂层显示明显优越的耐受砂蚀性能。
暴露于环境之后NuSilR-2180的冰附着力
进行另外的冰附着力测试以进一步表征作为防冰涂料组合物的NuSilR-2180。冰附着力测试在暴露于环境之后在NuSilR-2180涂布的销上进行。涂布的销在260热老化1000小时，在95％相对湿度下湿气循环5天，然后在260干燥3小时并重复10个循环，暴露于盐喷涂30天，以及用砂纸打磨来模拟磨损。结果在图5中图解说明。如所示，冰附着力值在暴露于环境之后略微升高，例如与37kPa相比为171kPa，但是冰附着力值仍比238kPa的Teflon基准冰附着力值低。
NuSilR-2180的环境暴露和侵蚀测试
进行另外的侵蚀测试以表征作为防冰涂料组合物的NuSilR-2180。施涂NuSilR-2180作为钛基和BMI碳基复合材料基材的涂层。在砂蚀和冰附着力测试之前，将R-2180涂布的基材暴露于流体污染物。进行两种类型的暴露。进行7天浸泡测试。将涂布的板浸在每种以下污染物中：喷气燃料(JP-8)、涡轮发动机润滑油、防冰液(丙二醇)和盐水。涂布的板还进行浸渍测试。每个板浸泡在每种污染物中30分钟，然后取出并在250干燥一小时，进行五个循环。每种污染物浸泡的涂布板用MIL E5007碾碎的石英侵蚀剂以600英尺/秒的颗粒速率和20度入射角进行喷涂。
砂蚀测试结果在图6中图解说明。将污染物浸泡的涂布板与具有3.93cm3/kg侵蚀速率的未污染未涂布的BMI碳复合材料板以及具有0.347cm3/kg侵蚀速率的未污染未涂布钛板进行比较。除关于暴露于250的结果以外，分别与两种未污染未浸泡的BMI碳复合材料和钛板相比，该污染物浸泡的涂布板显示略微更好到显著改善的侵蚀速率。在此所述的防冰涂层在标准操作环境中通常能够经受约150到约200的温度。观察到的250时的0.499cm3/kg的侵蚀速率是推动防冰涂层性能极限的结果。
含有聚氨酯基弹性体的现有技术的防冰涂层的高温热稳定性差，限制了其在约-65(-54℃)直至约250(121℃)的环境中的应用。此外，含有碳氟化合物基弹性体的现有技术的防冰涂层由于其玻璃化转变温度低而在低温下表现不佳。在此所述的示例性防冰涂层显示高温热稳定性并且在低温下表现良好。此外，在此所述的示例性防冰涂层无须任何添加剂来赋予这些所需的防冰涂层性能。如所述，固态和/或流体添加剂均可以增强现有技术涂层对制品的结合强度；但是该添加剂损害了现有技术防冰涂层的抗蚀性和有效使用寿命。在此所述的示例性防冰涂层将因此显示更长的有效使用寿命并且具有所需的防冰涂层性能。
已经描述了本发明的一个或多个实施方案。尽管如此，应理解可以在不脱离本发明精神和范围的前提下，做出各种改进。因此，其它实施方案落在以下权利要求的范围内。
Claims (23)
1.一种使用防冰涂层保护制品的方法，包括：
在制品的至少一个表面之上施涂包括至少一种不含添加剂的聚硅氧烷的防冰组合物；和
固化所述防冰组合物以形成显示约19kPa到约50kPa的冰剪切强度的防冰涂层。
2.权利要求1的方法，进一步包括在施涂所述防冰组合物之前，在所述至少一个表面之上施涂底漆涂层的步骤。
3.权利要求2的方法，其中施涂所述底漆包括选自喷涂、刷涂、浸渍和粘合的方法。
4.权利要求2的方法，其中施涂所述底漆进一步包括施涂包括底漆组合物和催化剂的所述底漆涂层。
5.权利要求4的方法，其中所述催化剂包括以下的任何一种：铂、钯和铑。
6.权利要求1的方法，其中施涂所述防冰组合物包括选自喷涂、刷涂、浸渍和粘合的方法。
7.权利要求1的方法，其中固化所述防冰组合物包括在约77到约300加热所述防冰组合物约30分钟到约135分钟。
8.权利要求1的方法，其中制品选自涡轮发动机部件、飞机部件、船舶、电力线和通信线。
9.一种涂布制品，包括：
具有至少一个表面的制品；和
设置在所述至少一个表面之上显示约19kPa到约50kPa的冰剪切强度的防冰涂层，
其中所述防冰涂层包括防冰组合物，该防冰组合物包括至少一种不含添加剂的聚硅氧烷。
10.权利要求9的涂布制品，其中所述至少一种聚硅氧烷选自铂固化的乙烯基封端聚的二甲基硅氧烷、过氧化物固化的乙烯基封端的聚二甲基硅氧烷、聚苯基甲基硅氧烷、二苯基硅氧烷和4-聚三氟丙基甲基硅氧烷。
11.权利要求9的涂布制品，其中所述至少一种不含添加剂的聚硅氧烷不含至少一种固态添加剂、至少一种液态添加剂或者所述至少一种固态添加剂和所述至少一种液态添加剂两者。
12.权利要求9的涂布制品，其中所述防冰涂层提供从约-65到约400的侵蚀防护。
13.权利要求9的涂布制品，其中所述防冰涂层在直至约500是热稳定的。
14.权利要求9的制品，进一步包括设置在所述至少一个表面之上和所述防冰涂层之下的底漆涂层。
15.权利要求14的涂布制品，其中所述底漆涂层包括硅烷偶联剂、钛酸盐偶联剂或两者。
16.权利要求9的涂布制品，其中所述制品选自涡轮发动机部件、飞机部件、船舶、电力线和通信线。
17.一种涂布叶轮，包括：
具有内侧幅宽区域的叶轮；和
设置在至少所述内侧幅宽区域之上显示约19kPa到约50kPa的冰剪切强度的防冰涂层，
其中所述防冰涂层包括防冰组合物，该防冰组合物包括至少一种不含添加剂的聚硅氧烷。
18.权利要求17的涂布叶轮，其中所述至少一种不含添加剂的聚硅氧烷包括聚烷基硅氧烷，其选自铂固化的乙烯基封端的聚二甲基硅氧烷、过氧化物固化的乙烯基封端的聚二甲基硅氧烷、聚苯基甲基硅氧烷、聚二苯基硅氧烷和4-聚三氟丙基甲基硅氧烷。
19.权利要求17的涂布叶轮，其中所述至少一种不含添加剂的聚硅氧烷不含至少一种固态添加剂、至少一种液态添加剂或者所述至少一种固态添加剂和所述至少一种液态添加剂两者。
20.权利要求17的涂布叶轮，其中所述防冰涂层提供从约-65到约400的侵蚀防护。
21.权利要求17的涂布叶轮，其中所述防冰涂层在直至约500是热稳定的。
22.权利要求17的叶轮，进一步包括设置在所述内侧幅宽区域之上和所述防冰涂层之下的底漆涂层。
23.权利要求22的涂布叶轮，其中所述底漆涂层包括硅烷偶联剂、钛酸盐偶联剂或两者。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Open date: 20071031 |