CN107099273B - 仿生自响应防冰雪自清洁材料和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿生自响应防冰雪自清洁材料及其应用。仿生自响应防冰雪自清洁材料包括基体和镶嵌于所述基体内的具有吸水膨胀和失水复原特性的若干囊腔结构，所述囊腔结构的囊腔通过毛细通道与基体外界相通，在所述囊腔内装设有用于降低表面能的液态物质，所述液态物质在所述囊腔结构吸水膨胀过程中通过所述毛细通道被挤压至基体表面。本发明仿生自响应防冰雪自清洁材料能够通过镶嵌于所述基体内的若干囊腔结构的吸水膨胀，从而将装设在囊腔内的液态物质挤压至基体表面，通过液态物质的低表面能特性，实现有效抑制附冰的形成以及降低积雪的附着强度，降低后期进行冰雪清理工作的成本，有效保证了相应设备工作的稳定性。

Description

仿生自响应防冰雪自清洁材料和应用

技术领域

本发明属于冰冻、积雪防范材料技术领域，具体的是涉及一种仿生自响应防冰雪自清洁材料和应用。

背景技术

结冰和积雪是材料表面在特定环境下发生的自然现象，由材料表面的润湿性决定。结冰和积雪可以显著影响仪器设备的工作效能，使得结冰和积雪的防范与清除成为诸多行业亟待解决的重要课题，诸如航空、电力、交通等。如飞机机身结冰、积雪影响其飞行状态，降低其安全系数，严重威胁人员和财产安全，甚至酿成飞行安全事故；电力设备和输电线路的覆冰、积雪可以造成电力输送问题，破坏经济活动和日常生活的正常进行；高铁列车的结冰、积雪可以影响车辆的通讯和悬挂系统等的运行，非常不利于列车的安全运行。

当前结冰和积雪的主要处理措施包括后处理和预处理两类。后处理是一种较为保守的、成熟的方法，通过加热处理、化学处理(如列车丙二醇喷淋等融雪剂)和机械清除等方法实现。该方法存在的问题包括不受控的结冰和积雪可能导致机械设备性能方面不可逆的破坏，化学处理使用的化学物质对环境具有一定的污染性，加热处理用时长、能源消耗大，经济性欠佳。预处理是一种积极的、不断优化的防范机制，主要通过改变材料表面润湿性达到防冰雪自清洁的目的，经典的处理技术为材料表面直接构建微结构并采用低表面能物质修饰。该方法的缺点是仪器设备的表面功能层耐候性和耐磨损性能差，有效使用期限较短。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种仿生自响应防冰雪自清洁材料，以及解决现有结冰和积雪的后处理和预处理措施存在的能耗高、耐候性和耐磨损性能差导致防冰雪不稳定以及经济性欠佳的技术问题。

为了实现上述发明目的，本发明的一方面，提供了一种仿生自响应防冰雪自清洁材料。所述仿生自响应防冰雪自清洁材料包括基体和镶嵌于所述基体内的具有吸水膨胀和失水复原特性的若干囊腔结构，所述囊腔结构的囊腔通过毛细通道与基体外界相通，在所述囊腔内装设有用于降低表面能的液态物质，所述液态物质在所述囊腔结构吸水膨胀过程中通过所述毛细通道被挤压至基体表面。

本发明的另一方面，提供了一种仿生自响应防冰雪自清洁材料的应用方法。所述仿生自响应防冰雪自清洁材料的应用方法是将本发明仿生自响应防冰雪自清洁材料在航空航天器、电力设备、交通运输设备、制冷设备的防范结冰、积雪中的应用。

与现有技术相比，本发明仿生自响应防冰雪自清洁材料能够通过镶嵌于所述基体内的若干囊腔结构的吸水膨胀，从而将装设在囊腔内的液态物质挤压至基体表面，通过液态物质的低表面能特性，实现自响应防冰雪性能，有效抑制附冰的形成以及降低积雪的附着强度，降低后期进行冰雪清理工作的成本，有效保证了相应设备工作的稳定性。当囊腔结构失水复原过后，囊腔体积扩张，从而使得被挤压出的液态物质回吸至囊腔之内，从而使得本发明仿生自响应防冰雪自清洁材料具有较长的使用期限。

由于本发明仿生自响应防冰雪自清洁材料具有良好的防冰冻和积雪效果，从而有效保证了相应设备如航空航天器、电力设备、交通运输设备、制冷设备的工作稳定性和安全性。另外，仿生自响应防冰雪自清洁材料能够具有较长时间的使用期限，而且其直接贴合于设备表面，有效提高了相应额设备防冰雪的经济成本和效率。

附图说明

图1是本发明实施例仿生自响应防冰雪自清洁材料所含的囊腔未吸水膨胀时的结构示意图；

图2是本发明实施例仿生自响应防冰雪自清洁材料所含的囊腔发生吸水膨胀后的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一方面，本发明实施例提供了一种具有良好防冰雪自清洁作用的仿生自响应防冰雪自清洁材料。所述仿生自响应防冰雪自清洁材料的结构如图1和2所示，其包括基体1和镶嵌于所述基体1内的具有吸水膨胀和失水复原特性的若干囊腔结构2，以及装设于囊腔结构2的囊腔内的用于降低表面能的液态物质3。

其中，上述仿生自响应防冰雪自清洁材料所含的基体1作为囊腔结构2的载体。因此，在一实施例中，所述基体1的材料可以是防冰雪材料中常用基体，只要是能够负载囊腔结构2的所有基材均在本发明公开的范围，如环氧树脂基体。在另一实施例中，所述基体1的厚度为300-500μm，如400μm，可以根据实际的需要进行灵活调整。通过对基体1的材料和厚度的控制，提高囊腔结构2的负载稳定性和负载量。在具体实施例中，该所述基体1具有相对的两个表面，所述囊腔结构2是镶嵌在所述基体1的靠近其中一表面的表层部分内，另一表面用于贴合被防冰雪设备表面。

上述仿生自响应防冰雪自清洁材料所含的囊腔结构2虽然镶嵌于基体1内部，但是其与基体1外界相通通过毛细通道21相通。因此，囊腔结构2与毛细通道21一起构成了类毛囊结构，也即是囊腔结构2与毛细通道21一起构成了仿生毛囊结构，此时，液态物质3装设在囊腔结构2的囊腔内，如图1所示。当囊腔结构2吸水后，囊腔结构2的囊壁22发生吸水膨胀，使得囊腔体积发生收缩，从而产生向囊腔内的压力，从而使得液态物质3被挤压至基体表面外，形成液态物质防冰雪层3’，如图2所示。当囊腔结构2失水复原后，也即是囊壁22失水复原后，体积收缩，囊腔体积增大，使得被挤压至基体1表面的液态物质3至少部分回吸至囊腔结构2的囊腔内，恢复至图1所示的仿生自响应防冰雪自清洁材料结构。此时降低液态物质3的浪费损失，降低仿生自响应防冰雪自清洁材料的经济成本。

上述仿生自响应防冰雪自清洁材料所含的囊腔结构2为若干个，应该理解的是多个，即是大于2个。一实施例中，该囊腔结构2的囊腔体积为0.01-0.2μL，具体的如0.05μL。在另一实施例中，所述囊腔结构2镶嵌在所述基体1内的密度(也即是分布密度)为30-100个/cm²，具体的如40、60个/cm²。该体积和分布密度的囊腔结构2能够有效控制装设其内的用于降低表面能的液态物质3的量，从而也决定了仿生自响应防冰雪自清洁材料的防冰雪效果。

在另一实施例中，所述囊腔的囊壁22厚度为20-50μm，具体的如30μm。通过控制囊壁22的厚度，能够有效控囊腔结构2制吸水膨胀体积，也即是间接优化控制了囊腔结构2对液态物质3挤压的压力大小，从而优化了液态物质3被挤压至基体表面的效果，从而优化了上述仿生自响应防冰雪自清洁材料的防冰雪效果。

另外，上述囊腔结构2可以镶嵌在基体1内部任意地方，如基体2表层部分、中间部分等，优选的分布在基体1的表层部分，能够灵敏的感应基体1表面的湿度，将表面由于冷凝水汽进行快速吸收，使得将囊腔结构2的囊壁22快速发生膨胀，从而快速挤压液态物质3至基体1的表面，起到即是的防冰雪作用。

上述囊腔结构2的材料也即是囊壁22的材料为吸水膨胀橡胶、吸水性树脂中的任意一种，在具体实施例中，吸水树脂可以是常规的改性聚乙烯醇类吸水树脂。该选用的材料具有优异的吸水膨胀和失水复原特性，使得囊腔结构2具有灵敏的毛囊防水效果，从而实现灵敏的防冰雪效果。且失水复原性能也优异，使得被挤压至基体1表面的液态物质3至少部分回吸至囊腔结构2的囊腔内。

上述仿生自响应防冰雪自清洁材料所含的液态物质3为聚氟代丙烯酸酯、全氟硅烷、氟碳清漆等中的至少一种。通过选用该些液态物质具有良好的耐低温液态和低表面能特性，而且能够在囊腔结构2的囊壁22吸水膨胀过程中通过毛细通道21被挤压至基体1表面，从而实现上述仿生自响应防冰雪自清洁材料稳定和良好的防结冰或积雪效果。

在上述各实施例的基础上，上述各实施例中的仿生自响应防冰雪自清洁材料还包括粘结层4。该粘结层4是为了使得仿生自响应防冰雪自清洁材料能够方便并牢固的附着在需要被防冰冻和积雪的设备表面。如在图1、2所示的仿生自响应防冰雪自清洁材料结构中，基体1具有相对的两个表面，基体1的其中一表面的表层部分镶嵌有若干囊腔结构2，基体1的另一表面上还附着有粘结层4。

在进一步实施例中，在表层部分镶嵌有若干囊腔结构2基体外表面和/或粘结层4外表面层叠结合有保护层(图未显示)。具体地，该保护层可以是分离纸。该保护层的存在，能够使得上述仿生自响应防冰雪自清洁材料在使用之前，其所含的粘结层4和表层部分镶嵌有若干囊腔结构2基体外表面(防冰雪层)得到保护，保证了粘结层4的粘性和防冰雪层的防冰冻和积雪性能。在上述仿生自响应防冰雪自清洁材料在使用时，直接撕去保护层，将通过粘结层4直接将上述仿生自响应防冰雪自清洁材料粘合在需要被防冰冻和积雪设备的表面。

上文各实施例中所述的仿生自响应防冰雪自清洁材料可以根据使用方便性，将其设置成但不仅仅为带状或膜状。

另外，上文各实施例中所述的仿生自响应防冰雪自清洁材料可以按照包括如下步骤的方法制备：

S01.基体的处理：采用激光刻蚀法在基体1上制备出U型腔体；

S02.囊腔结构的制备：囊腔结构材料配制成溶液，在基体1的U型腔体内自行装形成吸水树脂组成的囊壁内衬结构，使用压力机对上步处理后的中间产品进行热压处理，U型囊腔上端开口收缩，形成类水滴型的囊腔结构2；

S03.将含有囊腔结构2的基体1置于用于降低表面能的液态物质，通过加压处理，使得用于降低表面能的液态物质3填充至囊腔结构2内，从而获得上文所述的仿生自响应防冰雪自清洁材料。

其中，步骤S02中自行装形成吸水树脂组成囊壁内衬结构是在但不仅仅是60℃下进行的。另外，上述制备方法中涉及的基体1、囊腔结构2材料和尺寸均如上文所述，液态物质所选的种类也如上文所述，为了节约篇幅，在此不再赘述。

因此，上述仿生自响应防冰雪自清洁材料能够通过镶嵌于所述基体1内的若干囊腔结构2的囊壁22吸水膨胀，从而将装设在囊腔22内的液态物质3挤压至基体1表面，通过液态物质3的低表面能特性，实现有效抑制附冰的形成以及降低积雪的附着强度，降低后期进行冰雪清理工作的成本，有效保证了相应设备工作的稳定性。当囊腔结构2的囊壁22失水复原过后，囊腔体积扩张，从而使得被挤压出的液态物质3回吸至囊腔之内，从而使得本发明仿生自响应防冰雪自清洁材料具有较长的使用期限。另外所含的基体1保证了囊腔结构2工作的稳定性和结构的牢固性，粘结剂层4提高了上述仿生自响应防冰雪自清洁材料使用的便利性和与需要被防结冰和积雪设备结合的牢固性。

正是由于上述仿生自响应防冰雪自清洁材料具有优异的防结冰和积雪效果，而且经济成本低，且方便使用，因此，上述仿生自响应防冰雪自清洁材料能够有效被用于航空航天器、电力设备、交通运输设备、制冷设备的防结冰和积雪处理，从而有效保证了相应设备如航空航天器、电力设备、交通运输设备、制冷设备的工作稳定性和安全性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种仿生自响应防冰雪自清洁材料，包括基体和镶嵌于所述基体内的具有吸水膨胀和失水复原特性的若干囊腔结构，所述囊腔结构的囊腔通过毛细通道与基体外界相通，在所述囊腔内装设有用于降低表面能的液态物质，所述液态物质在所述囊腔结构吸水膨胀过程中通过所述毛细通道被挤压至基体表面，所述液态物质用于所述仿生自响应防冰雪自清洁材料的防结冰或积雪，所述液态物质为聚氟代丙烯酸酯、全氟硅烷、氟碳清漆中的任意一种；

所述囊腔结构的材料为吸水膨胀橡胶、吸水性树脂中的任意一种。

2.根据权利要求1所述的仿生自响应防冰雪自清洁材料，其特征在于：所述囊腔的体积为0.01-0.2μL；和/或

所述囊腔的囊壁厚度为20-50μm；和/或

所述囊腔结构镶嵌在所述基体内的密度为30-100个/平方厘米。

3.根据权利要求1-2任一所述的仿生自响应防冰雪自清洁材料，其特征在于：所述囊腔分布在所述基体的表层内。

4.根据权利要求1-2任一所述的仿生自响应防冰雪自清洁材料，其特征在于：所述基体具有相对的两个表面，所述囊腔结构镶嵌在所述基体的靠近一表面的表层部分内，所述基体的另一表面上还附着有粘结层。

5.根据权利要求4所述的仿生自响应防冰雪自清洁材料，其特征在于：所述基体还附着有保护层，所述保护层附着在所述基体分布有所述囊腔的表面上和/或附着在所述粘结层的外表面上。

6.根据权利要求1-2任一所述的仿生自响应防冰雪自清洁材料，其特征在于：所述基体的厚度为300-500μm。

7.根据权利要求1-6任一所述的仿生自响应防冰雪自清洁材料在航空航天器、电力设备、交通运输设备、制冷设备的防范结冰、积雪中的应用。

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