CN105032731B - 一种超疏水涂层与加热涂层复合的节能防除冰涂层制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超疏水涂层与加热涂层复合的节能防除冰涂层制备方法，它有七大步骤。它是在超疏水涂层基础上增加了新型的加热涂层，将超疏水涂层防冰技术和热防冰技术结合，是一种新型的防覆冰技术。其中超疏水涂层是将商用气相二氧化硅用氟硅烷改性，再与树脂按适当比例混合，同时加入导热颗粒。加热涂层是将耐高温导电胶均匀喷涂成固定形状并于两端贴铝箔作为电极。该发明具有涂层防冰和电热防冰两者优势，且改变加热方式提高热效率，实现高效节能防冰。

Description

一种超疏水涂层与加热涂层复合的节能防除冰涂层制备方法

技术领域

本发明属于化学化工中功能涂料技术领域，涉及一种超疏水涂层与加热涂层复合的节能防除冰涂层制备方法，它是一种节能的复合防除冰涂层制备方法。采用新型加热防除冰方法，与涂层防冰技术复合，通过在基材上喷涂加热涂层和超疏水涂层，实现低热节能的防除冰效果。

背景技术

超疏水涂层依靠其独特的表面特性，在自清洁、防污、防冰雪等领域具有极大的应用价值，已成为当前最活跃的研究主题和热点问题之一。超疏水涂层的抗结冰原理是基于超疏水表面的憎水性能和微观结构，水滴与涂层表面拥有更小的接触面积，延缓水滴在涂层表面的结冰时间。超疏水表面可以减小水滴在涂层表面附着，在结冰前液滴滑离飞机表面，减小了冰成核机会；同时冰与涂层表面接触面积小、附着力低，冰霜容易从涂层表面脱落，从而减少了除冰所需要的能耗，降低了加热功率。针对无人机携带能源少、复合材料不耐高温等特点，为无人机防除冰提出新的思路，延缓结冰、除冰节能等优点对所有飞行器都具有重要意义。

加热涂层防冰是一种新的防除冰方式，美国Battelle公司于2010年成立该项目，并于2015年初将其喷涂于无人机机翼和发动机唇口并进行了多次试飞，具有良好的防除冰表现。相较传统的电热防冰方式，加热涂层更加轻便、简单、热利用率高并且由于没有附加部件，可以在不改变现有结构的情况下对飞行器进行改进，增加防除冰系统。

超疏水涂层和加热涂层复合防冰无需对飞行器进行大的改动，只需在现有保护涂层基础上增加两层功能涂层，不影响飞行器空气动力性能，增重小，相比传统防除冰方式更加经济方便。本发明主要目的是提供一种新型的防除冰方法，其突破了传统超疏水涂层表面覆冰后即失效和电热除冰耗能大的缺点，是一种高效便捷的防除冰方法。

发明内容

1、目的：本发明主要目的是提供一种超疏水涂层与加热涂层复合的节能防除冰涂层制备方法，它是一种新型的防除冰方法，其突破了传统超疏水涂层表面覆冰后即失效和电热除冰耗能大的缺点，是一种高效便捷的防除冰方法。

2、技术方案：为了达到前述的目的，本发明所运用的技术手段是先在基材表面喷涂隔热涂层、加热涂层、保护涂层、最后喷涂超疏水涂层。

本发明是一种超疏水涂层与加热涂层复合的节能防除冰涂层制备方法，该方法具体步骤如下：

步骤一：将基材用砂纸打磨或进行喷砂处理，并进行反复清洗，获得干净粗糙的表面以提高涂层与基材结合力。

步骤二：在处理好的基材表面喷涂具有隔热效果的涂料，阻止热量传向材料内部，提高热效率。

步骤三：将固化好的隔热涂层将无需喷涂部分用胶带等遮挡，并进行亲水化处理，在处理后的表面喷涂加热涂层，以获得均匀等厚的涂层表面。

步骤四：在加热涂层表面喷涂具有导热特性的防水保护涂层，保护加热涂层不被雨水等淋湿。

步骤五：将十七氟癸基三甲氧基硅烷、浓度36％的乙酸、乙醇按一定比例混合好，在水浴加热条件下保温半小时，待溶液完全混合为止，向溶液中加入纳米颗粒，水浴加热条件下反应一段时间，经过离心-乙醇清洗多个循环后，干燥后获得疏水的改性纳米粒子。

步骤六：将一定量改性纳米粒子、稀释剂、导热粒子、分散剂、防沉剂等按比例混合，电动搅拌并超声分散2小时，使其充分混合，制得粒子分散均匀的分散液。取一定量氟树脂及其固化剂，搅拌均匀，并熟化10分钟，加入纳米粒子分散液并电动搅拌15分钟，得到适于大面积制备的超疏水涂料。

步骤七：在干燥后的防水保护涂层表面喷涂配制好的超疏水涂料，充分干燥后获得具有高加热效率和低冰粘附力的复合防冰涂层。

其中，步骤三中所述的加热涂层，是将加热结构以膜式分布于基材和超疏水涂层之间，该加热涂层包括耐高温导电胶、电镀导电薄膜、化学镀导电薄膜、溅射导电薄膜、粘结金属细网、铺展电加热膜中的一种或几种。

其中，步骤六中所述氟树脂包括：聚丙烯酸十三氟辛酯、聚全氟癸基乙基丙烯酸酯、聚全氟辛基乙基丙烯酸酯、氟聚氨酯树脂、氟碳树脂、聚四氟乙烯树脂中的一种或几种的混合物。其中，步骤六中所述改性纳米粒子包括：纳米二氧化硅、纳米氧化铝、纳米氧化锌、纳米二氧化钛、纳米炭黑中的一种或者几种。

所述纳米粒子改性方法包括以下过程：

步骤1：改性溶液制备

向试管内依次加入十七氟癸基三甲氧基硅烷和浓度为36％的乙酸溶液，搅拌均匀后加入无水乙醇，搅拌15分钟，60℃水浴加热30分钟得改性溶液。

步骤2：改性纳米粒子制备

向烧杯内加入纳米粒子和改性溶液，40℃水浴下搅拌6小时，再将溶液离心15分钟，将沉淀物取出用适量无水乙醇超声清洗1小时，再次离心收集沉淀物，70℃鼓风干燥24小时，得到疏水改性的二氧化硅粒子。

其中，步骤六中所述稀释剂包括：乙醇、丙酮、丁酮、二甲基苯、甲苯、丁醇、乙酸乙酯、正己烷、环己酮、正丁醇、醋酸乙酯、醋酸异丙酯、醋酸正丁酯、异丙醇、丙二醇甲醚、丙二醇乙醚、乙二醇甲醚、乳酸乙酯中的一种或者几种的混合物。

其中，步骤六中所述导热粒子包括：氮化铝、氧化铝、氮化硼、碳化硅、氧化镁、氧化锌、石墨粉、炭黑、石墨烯、碳纤维、碳纳米管中的一种或者几种的混合物。

其中，步骤六中所述分散剂包括：乙二醇、十六烷基三甲基溴化铵、异丙烷、三聚磷酸钠、六偏磷酸钠和焦磷酸钠、三乙基己基磷酸、十二烷基硫酸钠、甲基戊醇、纤维素衍生物、聚丙烯酰胺、古尔胶、脂肪酸聚乙二醇酯中的一种或者几种的混合物。

其中，步骤六中所述防沉剂包括：有机膨润土、蓖麻油衍生物、改性聚脉的N一甲基毗咯烷酮溶液、聚酰胺蜡微粒中的一种或者几种的混合物。

其中，步骤六中所述固化剂包括：聚硫醇、异腈酸酯、脂肪族多胺、脂环族多胺、聚酰胺、叔胺、眯唑、酸酐、甲阶酚醛树脂、氨基树脂、双氰胺、酰肼中的一种或者几种的混合物。

优点及功效：

本发明复合防除冰涂层的特点：

1.将改性的纳米颗粒溶于丙酮、二甲苯等常用溶剂，加入粘结相和助剂然后喷涂于基材表面即可自组装成微纳超疏水功能表面，工艺简单，适于大面积应用，并可应用于多种基材表面。

2.所配置的纳米颗粒分散液能与多种树脂材料配合使用，与低表面能的氟树脂配合可以得到分散好，疏水效果理想，粘结性强的超疏水涂层。

3.在超疏水涂层中加入一定比例的导热粒子，加热过程中可以将热量迅速传至结冰表面，提高热效率，进而降低加热过程中基材温升，避免复合材料受热变形，增加了超疏水涂层的应用范围。

4.加热涂层具有耐高温特性，在加热过程中不会氧化，电阻稳定。涂料可以用水稀释，工艺简单，可以涂覆、提拉、喷涂等，且可以通过控制涂层形状、厚度等改变加热涂层电阻值以适应不同的使用需求。

5.加热涂层与超疏水涂层复合，该方法结合了现有两种防除冰方式的优点，既突破了传统超疏水涂层表面覆冰后即失效的问题又改进了电热除冰耗能大的缺点，是一种高效便捷的防除冰新方法。

附图说明

图1：防除冰涂层中各功能涂层分布方案示意图。

图2：对照铝片，是未涂覆任何涂层的铝板静态接触角示意图，介质为水，接触角为79.13°。

图3：样品铝片，是涂覆有本发明超疏水防覆冰涂层的样品铝片的静态接触角示意图，介质为水，接触角为157.59°，显示出超疏水特性。

图4a样品铝片，是涂覆有本发明超疏水防覆冰涂料的样品铝片的扫描电子显微镜低倍照片，涂层表面布满微米级结构。

图4b样品铝片，是涂覆有本发明超疏水防覆冰涂料的样品铝片的扫描电子显微镜高倍照片，涂层表面微米级结构由更小的纳米二级结构构成，形成了类荷叶的微纳超疏水结构。

图5：加热涂层制备方法

图6：本发明流程框图

具体实施方式

见图1—图6，以下通过具体实例对本发明进行详细说明。

步骤一：将基材用砂纸打磨或进行喷砂处理，并进行反复清洗，获得干净粗糙的表面，提高涂层与基材结合力。

步骤二：在处理好的基材表面喷涂具有隔热效果的涂料，阻止热量传向材料内部，提高热效率。

步骤三：隔热材料完全固化后，遮挡无需喷涂部分，形成电阻大小可控的线型排列。对材料表面进行亲水化处理。将耐高温导电胶用去离子水稀释，搅拌10分钟，高压喷涂于处理好的基材表面。常温固化24小时，完全固化后去除遮挡，将加热涂层两端用电极固定，用于连接外接电源，得到电阻稳定的加热涂层。

步骤四：在加热涂层表面喷涂防水保护涂层，保护加热涂层不被雨水等淋湿，其中保护涂料内加入一定量导热颗粒，提高热传导效率。

步骤五：向试管内依次加入十七氟癸基三甲氧基硅烷和浓度为36％的乙酸溶液，搅拌均匀后加入无水乙醇，搅拌15分钟，60℃水浴加热30分钟得改性溶液。向烧杯内加入二氧化硅粒子和改性溶液，40℃水浴下搅拌6小时，再将溶液离心15分钟，将沉淀物取出用适量无水乙醇超声清洗1小时，再次离心收集沉淀物，70℃鼓风干燥24小时，得到疏水改性的二氧化硅粒子。

步骤六：将改性二氧化硅粒子置于烧杯内，加入丙酮和二甲苯，密封搅拌30分钟，然后加入有机膨润土做防沉剂、少量丙烯酸钠盐作分散剂，并加入一定量氧化铝粉末以提高涂层导热性能，超声分散同时电动搅拌2小时，得到分散效果良好的分散液。取氟聚氨酯漆和固化剂混合均匀后，熟化10分钟，加入配制好的分散液，再搅拌15分钟，制得超疏水低粘附的纳米防覆冰涂料。

步骤七：在保护涂层表面高压喷涂预先制备好的防覆冰涂料，干燥24小时后得到具有高热效率的加热涂层和低冰粘附力的超疏水涂层的复合涂层。

Claims (6)

1.一种超疏水涂层与加热涂层复合的节能防除冰涂层制备方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：

步骤一：将基材用砂纸打磨或进行喷砂处理，并进行反复清洗，获得干净粗糙的表面以提高涂层与基材结合力；

步骤二：在处理好的基材表面喷涂具有隔热效果的涂料，阻止热量传向材料内部，提高热效率；

步骤三：将固化好的隔热涂层无需喷涂部分用胶带遮挡，并进行亲水化处理，在处理后的表面喷涂加热涂层，以获得均匀等厚的涂层表面；

步骤四：在加热涂层表面喷涂具有导热特性的防水保护涂层，保护加热涂层不被雨水淋湿；

步骤五：将十七氟癸基三甲氧基硅烷、浓度36％的乙酸、乙醇按预定比例混合好，在水浴加热条件下保温半小时，待溶液完全混合为止，向溶液中加入纳米粒子，水浴加热条件下反应一段时间，经过离心-乙醇清洗多个循环后，干燥后获得疏水的改性纳米粒子；

步骤六：将一定量改性纳米粒子、稀释剂、导热粒子、分散剂、防沉剂按比例混合，电动搅拌并超声分散2小时，使其充分混合，制得粒子分散均匀的分散液；取一定量氟树脂及其固化剂，搅拌均匀，并熟化10分钟，加入纳米粒子分散液并电动搅拌15分钟，得到适于大面积制备的超疏水涂料；

步骤七：在干燥后的防水保护涂层表面喷涂配制好的超疏水涂料，充分干燥后获得具有高加热效率和低冰粘附力的复合防冰涂层；

其中，步骤三中所述的加热涂层，是将加热结构以膜式分布于基材和超疏水涂层之间，该加热涂层包括耐高温导电胶、电镀导电薄膜、化学镀导电薄膜、溅射导电薄膜、粘结金属细网、铺展电加热膜的一种或几种；

其中，步骤六中所述的氟树脂包括：聚丙烯酸十三氟辛酯、聚全氟癸基乙基丙烯酸酯、聚全氟辛基乙基丙烯酸酯、氟聚氨酯树脂、氟碳树脂、聚四氟乙烯树脂的一种或几种的混合物；

其中，步骤五中所述的纳米粒子包括：纳米二氧化硅、纳米氧化铝、纳米氧化锌、纳米二氧化钛、纳米炭黑中的一种或者几种。

2.根据权利要求1所述的一种超疏水涂层与加热涂层复合的节能防除冰涂层制备方法，其特征在于：所述纳米粒子改性方法包括以下过程：

步骤1：改性溶液制备

向试管内依次加入十七氟癸基三甲氧基硅烷和浓度为36％的乙酸溶液，搅拌均匀后加入无水乙醇，搅拌15分钟，60℃水浴加热30分钟得改性溶液；

步骤2：改性纳米粒子制备

向烧杯内加入纳米粒子和改性溶液，40℃水浴下搅拌6小时，再将溶液离心15分钟，将沉淀物取出用适量无水乙醇超声清洗1小时，再次离心收集沉淀物，70℃鼓风干燥24小时，得到疏水改性的纳米粒子。

3.根据权利要求1所述的一种超疏水涂层与加热涂层复合的节能防除冰涂层制备方法，其特征在于：步骤六中所述稀释剂包括：乙醇、丙酮、丁酮、二甲基苯、甲苯、丁醇、乙酸乙酯、正己烷、环己酮、醋酸异丙酯、醋酸正丁酯、丙二醇甲醚、丙二醇乙醚、乙二醇甲醚、乳酸乙酯中的一种或者几种的混合物。

4.根据权利要求1所述的一种超疏水涂层与加热涂层复合的节能防除冰涂层制备方法，其特征在于：步骤六中所述导热粒子包括：氮化铝、氧化铝、氮化硼、碳化硅、氧化镁、氧化锌、石墨粉、炭黑、石墨烯、碳纤维、碳纳米管中的一种或者几种的混合物；其中，步骤六中所述分散剂包括：乙二醇、十六烷基三甲基溴化铵、异丙烷、三聚磷酸钠、六偏磷酸钠和焦磷酸钠、三乙基己基磷酸、十二烷基硫酸钠、甲基戊醇、纤维素衍生物、聚丙烯酰胺、古尔胶、脂肪酸聚乙二醇酯中的一种或者几种的混合物。

5.根据权利要求1所述的一种超疏水涂层与加热涂层复合的节能防除冰涂层制备方法，其特征在于：步骤六中所述防沉剂包括：有机膨润土、蓖麻油衍生物、改性聚脲的N一甲基吡咯烷酮溶液、聚酰胺蜡微粒中的一种或者几种的混合物。

6.根据权利要求1所述的一种超疏水涂层与加热涂层复合的节能防除冰涂层制备方法，其特征在于：步骤六中所述固化剂包括：聚硫醇、异氰酸酯、脂肪族多胺、脂环族多胺、聚酰胺、叔胺、咪 唑、酸酐、甲阶酚醛树脂、氨基树脂、双氰胺、酰肼中的一种或者几种的混合物。