CN108610962B - 一种防结霜的膜及对低温易结霜表面处理的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种防结霜的膜及对低温易结霜表面处理的方法。制备所述防结霜的膜的原料包含抗冻蛋白和散热材料。所述抗冻蛋白为鱼类抗冻蛋白、昆虫抗冻蛋白、植物抗冻蛋白、细菌抗冻蛋白中的一种或多种，与本领域中常用的散热材料在低温易结霜的表面以层层组合或是分散的方法形成了防结霜的膜，在霜形成的过程中，所述膜能有效地抑制冰晶的生成及成长，并消除水的过冷度。将该膜使用在空调系统、冷藏运输、航空航天等系统内易结霜的表面，能有效地阻止或延缓表面结霜。
Description
技术领域
本发明涉及表面处理领域，更具体地，涉及一种防结霜的膜及对低温易结霜表面处理的方法。
背景技术
结霜现象广泛存在于空调系统、冷藏运输、航空航天等生产、生活的各个领域，带来许多不利影响。在空调系统中，霜层的存在会增加换热热阻，降低传热系数，同时可能会堵塞空气流道，增大流动阻力，导致设备换热量下降，甚至使设备出现故障。在冷藏运输过程中，结霜会导致设备不能正常工作，储运的食品品质受到影响。结霜在航空航天领域有非常严重的危害，当机翼及螺旋桨叶上结霜后，霜层会改变飞机的空气动力特性和飞行特性，增加飞行阻力，影响飞机安全运行；发动机进气道结霜会导致进气速度场分布不均，从而引起叶片振动，造成机械损伤，甚至可能导致发动机损坏或熄火；驾驶室挡风玻璃结霜会干扰驾驶员视线，影响飞行安全；天线结霜可能导致通讯中断；探头结霜会影响对飞机运行参数的测量，导致错误估计飞机状态等。结霜对航天器的发射也会有影响。
目前除霜的方式有空气除霜、电热除霜、水力除霜、热气除霜及蓄能除霜的方式，这些方法共同的特点是结霜以后的补救行为，有些方法存在能耗高的问题，如电热除霜，而有些方法受外界条件的限制，如空气除霜等。也有一些经过处理材料表面从而延缓结霜的方法，专利CN103965294A公布了一种抗冻多肽，涉及该抗冻多肽的仿生抗冻表面，其筛选方法及应用，在材料表面涂覆抗冻多肽，从而延缓表面结霜的方法，但该方法的缺点在于虽然在材料表面涂覆了抗冻蛋白暂时抑制了冰晶的生长，但水仍然处于过冷状态，如果不将该部分显热释放，水会达到更大的过冷度，最后依然会结霜。
发明内容
本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的防结霜的膜，制备所述膜的原料包括抗冻蛋白和散热材料。
本发明将包括有抗冻蛋白和散热材料的材料制成膜，将其覆盖在低温易结霜表面时，在霜形成的过程中，能有效地抑制冰晶的生成及成长，并消除水的过冷度，从而阻止或延缓结霜。
本发明的抗冻蛋白可以为本领域中常用的抗冻蛋白，优选为鱼类抗冻蛋白、昆虫抗冻蛋白、植物抗冻蛋白、细菌抗冻蛋白中的一种或多种，更优选为鱼抗冻蛋白和/或昆虫抗冻蛋白，进一步优选为提取自生活于寒冷地区的鱼或昆虫中的抗冻蛋白，最优选为低温海洋鱼抗冻蛋白或寒冷地区昆虫抗冻蛋白，更优选为寒冷地区昆虫抗冻蛋白。
其中，寒冷地区昆虫抗冻蛋白具有相似的结构，可以使用本领域中市售的昆虫抗冻蛋白，可以使用如黄粉虫抗冻蛋白、云山卷叶蛾抗冻蛋白和赤翅甲抗冻蛋白，本发明实施例中优选使用黄粉虫抗冻蛋白，在本发明的具体实施例中以该类昆虫抗冻蛋白作为寒冷地区昆虫抗冻蛋白作进一步详述。
其中，低温海洋鱼抗冻蛋白可以为大牛尾鱼抗冻蛋白、长角杜父鱼和南极鲇鱼类抗冻蛋白，在本发明的具体实施例中以该类抗冻蛋白作为低温海洋鱼抗冻蛋白作进一步详述。
在本发明中，散热材料用于消除未结霜的水的过冷度，并将冷量释放出去，从而从根本上抑制结霜，散热材料可以为本领域中常用的导热材料，如金属、金属的氮化物、金属的氧化物、氮化硅、氧化硅中的一种或多种，优选为金属，更优选为铜和/或银。其中，散热材料优选为粉末状。在具有上述功能的前提下，散热材料也可用于将抗冻蛋白附着在材料表面，起到粘结抗冻蛋白并使其均匀涂覆的作用，可供选择的散热材料也可以是导热的脂类或导热脂类与上述常用的导热材料的组合。
根据被处理的表面的性质以及冰点温度，本领域技术人员可以调控抗冻蛋白和散热材料的质量比。通常为了使所形成的膜具有更好的防结霜性能，抗冻蛋白和散热材料的质量比为1:1-1:20，优选为1:2-1:15，更优选为1:3-1:10。
使用本发明的膜对易结霜的表面进行处理，通常能使表面的结霜温度降低2-6℃。本领域技术人员可以根据需要选用特定的抗冻蛋白和散热材料设定特定的质量比来制备膜。
本发明的一个优选实施例中，制备所述膜的原料包括寒冷地区昆虫抗冻蛋白和金属粉末，昆虫抗冻蛋白和金属散热材料的质量比为1:2-1:15，优选为1:3-1:10；其中，金属粉末为铜粉和/或银粉。在低温易结霜的表面形成了上述的膜，可以使所述表面的结霜温度降低3-4℃。使用寒冷地区昆虫的抗冻蛋白与银粉或铜粉混合形成的膜可以在远低于冰点温度的条件下保持材料表面不结霜。
本发明的另一个优选实施例中，制备所述膜的原料包括低温海洋鱼抗冻蛋白和银粉，所述鱼抗冻蛋白和所述银粉的质量比为1:2-1:15，优选为1:3-1:10。在低温易结霜的表面形成了上述的膜，可以使所述表面的结霜温度降低2-3℃。
在本发明防结霜的膜中，在表面所形成的膜的厚度为0.01mm-0.1mm，优选为0.02～0.08mm，在上述厚度值时，膜的防结霜效果较好，并且不会影响被涂覆表面原有的性能。在本发明的具体实施例中将厚度值控制在0.03-0.06mm。
在本发明防结霜的膜中，还可以加入不改变防结霜膜抑制结霜本质机理的常规添加剂，如颜料、芳香剂等仅改变感官感受的添加剂。
本发明的抗冻蛋白与散热材料可以以各种方式混合，通常将抗冻蛋白分散在散热材料中。为了提高散热材料在防止或延缓结霜过程中的作用，优选将抗冻蛋白设在远离表面的一层，散热材料设在靠近表面的另一层，即膜至少包括两层材料，靠近表面的一层为散热材料，远离表面的一层为抗冻蛋白。更优选为将抗冻蛋白涂覆在散热材料表面。
本发明的另一个优选实施例中，制备所述膜的原料包括寒冷地区昆虫抗冻蛋白和银粉，所述鱼抗冻蛋白和所述银粉的质量比为1:2-1:15，优选为1:3-1:10，其中，所述抗冻蛋白分散在银粉层的表面。在低温易结霜的表面形成了上述的膜，可以使所述表面的结霜温度降低4-5℃。
在本发明中，为了提高膜的粘附性和防结霜的性能，可以先在表面喷涂或涂抹一层粘合材料，在所述粘合材料表面涂抹或喷涂所述膜。其中，所述粘合材料可以为导热的脂类。
本发明还提供了一种对低温易结霜表面处理的方法，在表面形成本发明所述的膜。
本发明中的表面可以为所有金属材料、合成材料及无机非金属材料的表面，所述膜通过喷涂或涂抹覆盖于需要抑制结霜的表面，可以先将膜制备完成，再将其设于表面上，也可以与材料原本的表面处理方式相结合，如将抗冻蛋白与散热层加入油漆中，在喷漆的过程中涂覆于材料表面，不增加额外工序。更优选地，用于空调系统、冷藏运输、航空航天等系统中。
本发明中的膜优选是在表面涂敷的过程中形成，通常是在表面喷涂或涂抹粘合材料，在粘合材料表面涂覆抗冻蛋白和散热材料的混合物。或是，将抗冻蛋白与散热材料分散在分散剂中形成混合物，将所述混合物喷涂在所述表面。又或是，将所述散热材料涂覆在所述表面，并将所述抗冻蛋白喷涂或涂抹在所述散热材料表面。
当将本发明中的膜用在空调系统、冷藏设备的表面时，通常是通过在其表面涂抹粘合材料如导热的脂类，然后再将抗冻蛋白和散热材料以所需比例和所需结构涂敷在所述导热脂表面，此时，导热脂起到黏附的作用。当将本发明中的膜用在航空航天设备表面，将抗冻蛋白与散热材料以所需比例分散于分散剂如油漆中形成混合物，将所述混合物喷涂在表面。
本发明的有益效果：
1)本发明提供的防结霜的膜，抑制了冰晶的产生，从源头解决了结霜问题，改变了传统的先结霜后除霜的方式；
2)本发明提供的防结霜的膜不会改变材料原有的特性包括热力学性能、力学性能和几何特性等；
3)本发明提供的防结霜的膜，可以与材料原本的表面处理方式相结合，如将抗冻蛋白与散热层加入油漆中，在喷漆的过程中涂覆于材料表面，不增加额外工序；
4)本发明提供的对低温易结霜表面处理的方法，在表面形成防结霜的膜，能使表面的结霜温度得到显著的下降。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。若非特别指明，实施例中所用原料均可市售购得。
实施例1
本实施例提供了一种防结霜的膜，制备所述膜的原料包括寒冷地区昆虫抗冻蛋白和散热材料银粉，两者的重量比分别为1:3和1:10。
本实施例同时提供了将上述膜处理空调系统的蒸发器表面的方法：在空调系统的蒸发器表面涂敷一层散热材料银粉，之后在银粉外侧均匀分散一层寒冷地区昆虫抗冻蛋白。
同时，在拆除了感温包后的蒸发器表面布置温度传感器，调节节流阀的开度，并测量节流后压力，记录蒸发器表面结霜时的温度及压力。其中，当蒸发器表面无任何涂敷物时，其结霜时的温度为-0.8℃。在蒸发器表面只涂抹抗冻蛋白后，其结霜的温度为-1.9℃，蒸发器表面涂抹银粉后，其结霜温度为-0.8℃，蒸发器表面在涂抹银粉层的基础上分散抗冻蛋白层后，当膜中抗冻蛋白与银粉的重量比为1:10时，其结霜时的温度为-4.9℃，当膜中抗冻蛋白与银粉的重量比为1:3时，其结霜时的温度为-5.7℃。
实施例2
本实施例提供了一种防结霜的膜，制备所述膜的原料包括寒冷地区昆虫抗冻蛋白和铜粉，两者的重量比分别为1:3和1:10。
本实施例同时提供了将上述膜处理空调系统的蒸发器表面的方法：在空调系统的蒸发器表面涂敷一层导热脂，在导热脂的表面涂敷上述膜，即将寒冷地区昆虫抗冻蛋白和铜粉以上述比例混合均匀，均匀涂覆在导热脂的表面。
同时，在拆除了感温包后的蒸发器表面布置温度传感器，调节节流阀的开度，并测量节流后压力，记录蒸发器表面结霜时的温度及压力。其中，当蒸发器表面无任何涂敷物时，其结霜时的温度为-0.8℃。在蒸发器表面只涂抹抗冻蛋白后，其结霜的温度为-1.9℃，蒸发器表面涂抹导热脂后，其结霜温度为-0.8℃。蒸发器表面在涂抹导热脂的基础上涂敷防结霜的膜后，当膜中抗冻蛋白与铜粉的重量比为1:10时，其结霜时的温度为-4.6℃，当膜中抗冻蛋白与铜粉的重量比为1:3时，其结霜时的温度为-5.2℃。
实施例3
本实施例提供了一种防结霜的膜，制备所述膜的原料包括低温海洋鱼中提取的抗冻蛋白和银粉，两者的重量比分别为1:3和1:10。
本实施例同时提供了将上述膜处理空调系统的蒸发器表面的方法：在空调系统的蒸发器表面涂敷一层导热脂，在导热脂的表面涂敷上述膜，即将由低温海洋鱼中提取的鱼抗冻蛋白和银粉以上述比例混合均匀，均匀涂覆在导热脂的表面。
同时，在拆除了感温包后的蒸发器表面布置温度传感器，调节节流阀的开度，并测量节流后压力，记录蒸发器表面结霜时的温度及压力。其中，当蒸发器表面无任何涂敷物时，其结霜时的温度为-0.8℃。在蒸发器表面涂抹导热脂后，其结霜的温度为-0.8℃。在蒸发器表面只涂抹抗冻蛋白后，其结霜温度为-1.4℃。蒸发器表面在涂抹导热脂的基础上涂敷膜后，当膜中抗冻蛋白与银粉的重量比为1:10时，其结霜时的温度为-4.1℃，当膜中抗冻蛋白与银粉的重量比为1:3时，其结霜时的温度为-4.3℃。
实施例4
本实施例提供了一种防结霜的膜，制备所述膜的原料包括低温海洋鱼中提取的抗冻蛋白和铜粉，两者的重量比分别为1:3和1:10。
本实施例同时提供了将上述膜处理空调系统的蒸发器表面的方法：在空调系统的蒸发器表面涂敷一层导热脂，在导热脂的表面涂敷上述膜，即将由低温海洋鱼中提取的鱼抗冻蛋白和铜粉以上述比例混合均匀，均匀涂覆在导热脂的表面。
同时，在拆除了感温包后的蒸发器表面布置温度传感器，调节节流阀的开度，并测量节流后压力，记录蒸发器表面结霜时的温度及压力。其中，当蒸发器表面无任何涂敷物时，其结霜时的温度为-0.8℃。在蒸发器表面只涂抹抗冻蛋白后，其结霜的温度为-1.4℃，蒸发器表面涂抹导热脂后，其结霜温度为-0.8℃。蒸发器表面在涂抹导热脂的基础上涂敷膜后，当膜中抗冻蛋白与铜粉的重量比为1:10时，其结霜时的温度为-3.3℃，当膜中抗冻蛋白与铜粉的重量比为1:3时，其结霜时的温度为-3.5℃。
最后，本发明的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种防结霜的膜，其特征在于，制备所述膜的原料包括抗冻蛋白和散热材料，所述抗冻蛋白为昆虫抗冻蛋白，所述散热材料为铜粉和/或银粉，所述抗冻蛋白和所述散热材料的质量比为1:3。
2.根据权利要求1所述的膜，其特征在于，所述膜的厚度为0.01 mm -0.1mm。
3.根据权利要求2所述的膜，其特征在于，所述膜的厚度为0.02mm-0.08mm。
4.一种对低温易结霜表面进行处理的方法，其特征在于，在所述表面形成如权利要求1-3中任一项所述的膜。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在所述表面喷涂或涂抹粘合材料，在所述粘合材料表面涂覆所述抗冻蛋白和所述散热材料的混合物，在所述表面形成所述膜。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，将所述抗冻蛋白与所述散热材料分散在分散剂中形成混合物，将所述混合物喷涂在所述表面，在所述表面形成所述膜。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，将所述抗冻蛋白喷涂或涂抹在所述表面，在所述抗冻蛋白表面涂覆所述散热材料，在所述表面形成所述膜。
8.根据权利要求4-7中任一项所述的方法，其特征在于，所述表面为空调的表面、冷藏运输装置的表面或航天航空设备的表面。
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