CN108753132A - 一种新型路用超疏水抑冰涂层的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种新型路用超疏水抑冰涂层的制备方法，属于新型功能材料制备技术领域。本发明借鉴荷叶及昆虫翅膀表面微构造特征，通过对微‑纳米材料进行低表面能处理以达到超疏水性能，采用耐候性良好的粘结料制得新型抑冰涂层。首先，将纳米二氧化钛采用硬脂酸及乙醇进行低表面能结构重组处理，制得具有超疏水性的改性纳米复合颗粒；然后，将环氧丙烷和羟基硅油与甲苯二异氰酸酯反应制得湿固化型聚氨酯；最后，将复合颗粒与湿固化型聚氨酯制备成新型抑冰涂层。本发明在结冰前期对冰晶成核起延缓作用，在结冰中期对冰晶生长起抑制作用，在结冰后期使冰雪易清除。本发明适用于各种类型的路面，对主动除冰雪技术的发展有重要意义，具有较好的经济效益。

Description

一种新型路用超疏水抑冰涂层的制备方法

技术领域

本发明是一种新型路用超疏水抑冰涂层的制备方法，属于新型功能材料制备技术领域。

背景技术

近年来，冬季频发的交通事故及道路积雪冻冰造成的经济损失使国内外普遍认识到融雪抑冰系统对于交通工程的重要性。冬季我国大部分地区都会出现降雪天气，道路积雪在车辆荷载碾压和反复冻融作用下容易结冰，造成车辆刹车打滑，方向失控，发生严重的交通事故，造成大面积交通瘫痪，严重阻碍了交通出行、人民正常生活和经济发展，甚至危及生命。

目前，国内外相关部门会根据天气预报提前准备好扫雪设备及融雪剂，一出现积雪便及时对主干道、交通要道及特殊路段进行氯盐融雪、清扫工作。人工除雪费时费力效率低下，机械除雪更是会对路面造成不可逆的严重损害，融雪剂和工业盐水虽然效果好但浪费水资源，且对周围环境的污染及桥梁的危害是长久的，并不值得提倡。至今，我国仍大量使用氯盐类融雪剂，该类融雪剂会流向绿化带的土壤中并在土壤中积累，导致土壤盐渍化，植物枯萎死亡，渗透进地表，势必会对地下水资源造成污染，饮用被氯盐类融雪剂污染的水将对人体健康产生严重危害。传统的氯盐类融雪剂在快速解决大雪带来的交通拥堵问题、缓解雪后的交通压力的同时，所带来的负面效应非常严重。

美国对全国各公路桥梁进行调查，因受到除冰盐融雪剂侵蚀破坏而导致承载力和耐久性不足，数万座桥梁处于失效状态，40％的桥梁承载力不足，必须进行修复或加固处理。仅1984年一年的修复费为54亿美元，总计用了多达2000亿美元修复加固已经损坏的桥梁，是当初建桥费用的4倍以上。冰盐侵蚀对于路面桥梁损坏影响大，修复处理耗时耗力，故对除冰技术开展大量研究。

现阶段道路抑冰技术可分为主动型和被动型两大类，一般提倡采用主动除冰法对路面进行预处理，能更高效的保证冬季交通运输正常运作。最新研究现状有以下几种除冰抑冰技术：

(1)环保型融雪剂，采用醋酸钙镁盐(CMA)可替代氯盐，用于道路除雪，根除氯害，是一种环保型融雪剂；

(2)碳纤维导电水泥混凝土，布置碳纤维发热线的水泥混凝土板融雪化冰技术，热转化效率高质量轻体积小，易于施工、安全可靠、有一定经济优势；

(3)相变储能，采用热熔化法，并选用交通工程适用的发热体热源，引入相变材料调控发热体系温度场分布；

(4)抗凝冰改性沥青混合料，将一种无机盐加适量水配制成溶液，按照一定比例缓慢加入到乳化沥青混合料中搅拌均匀；

(5)盐化物自融雪路面，盐分填充类以粉体形式置换混合料中的矿粉，并添加吸附性材料于沥青混合料混合料空隙中，形成胶浆固定在半柔性铺装表层；

(6)SAC路面，将超疏水改性微纳米复合颗粒引入到水泥水泥混凝土路面设计中，通过微纳米路表构建与超疏水涂层设计相结合，对OPC路面表层进行防覆冰设计。

可见，最新路用抑冰材料的设计理念，是通过将环保的融冰除雪材料及疏水材料先负载到吸附载体材料上制成脱粘抑冰材料，通过人工涂刷或机械洒布的形式喷洒到沥青混合料路面上。当降雨或降雪时，载体上的融冰雪材料会释放出来，起到融雪除冰的效果，同时脱粘抑冰材料中疏水材料能起到隔离冰层与路面的作用，降低了冰层与路面之间的粘附力，从而能使冰层极易被清除。此类缓释型涂层已经给新型路面防冰雪材料提供了新的技术理念。

但是国内对疏水抑冰涂层研究仍处于初始阶段，从材料成本到施工技术仍需要不断改进，评价指标也有待标准化更新，还需要投入科研力量解决如下问题：材料本身抑冰性能的持久问题；在车辆反复碾压、冻结循环状态下仍然保持抑冰能力的问题；如何增强涂层本身的耐磨性及材料与路面的附着力的问题，使其在道路工程中的实施和推广得以保证。

此外超疏水改性微纳米复合颗粒各组分以及所占的配比还有待进一步探究，若要制备出具有更好疏冰效果的材料，还需进行大量试验，同时进一步完善相关评价技术体系，为公路超疏水路面的推广应用提供更好的理论支持和实践经验。因此，研究并开发一种施工简便、适用性强、价格适当、高效低能的抑冰涂层，是解决冬季路面结冰危险问题的关键。

另外，相比成本高昂、力学性能与电热性能难以两全的路面铺装技术，抑冰涂层一次施工可多次融冰，并对路面、桥梁钢结构、附属设施及周边环境没有危害，可以节省人力劳动，具有低碳环保，经济适用的优势。本发明适用于各种类型的路面，施工便捷，对主动除冰雪技术的发展有重要意义。

发明内容

(1)技术问题

本发明目的是提供一种新型路用超疏水抑冰涂层的制备方法，该方法是通过控制纳米材料改性的过程，保证微观结构的平衡稳定状态，当前在调整成膜组分的配合比过程中，解决聚合物共混物相容性问题，最终制得新型路用超疏水抑冰涂层，为提高抑冰材料的抑冰性能提供技术依据与保障。

(2)技术方案

鉴于目前所使用的路用抑冰手段与方法，不能满足在环保，经济等方面的性能要求，因此对抑冰涂层的实用性能提出更高的要求，对现阶段使用的抑冰手段进行改良。本发明充分考虑各种路面对抑冰的各项性能要求，从微观和宏观表征方法入手，提供一种新型路用超疏水抑冰涂层的制备方法。本发明的技术方案如下：首先，将纳米二氧化钛放入无水乙醇中超声破碎，再加入硬脂酸，进行超声混溶；其次，将超声后的混合液70℃磁力搅拌后，再在常温条件下继续搅拌；然后，当混合溶液稳定后，再加入一定量无水乙醇离心去除上清液，进行鼓风干燥，最终得到超疏水改性微纳米复合颗粒，如图1所示，采用将纳米及湿固化型聚氨酯复合成新型路用超疏水抑冰涂层；最后，通过接触角测试验证其疏水性能，建立水滴在材料表面接触时的空气垫模型，测量涂层表面的表观接触角，如图2所示，最终测得涂层表面的表观接触角大于150°，从而实现涂层的超疏水效果。

(3)有益效果

近年来，冬季频发的交通事故及道路积雪冻冰造成的经济损失使国内外普遍认识到融雪抑冰系统对于交通工程的重要性。冬季我国大部分地区都会出现降雪天气，道路积雪在车辆荷载碾压和反复冻融作用下容易结冰，造成车辆刹车打滑，方向失控，发生严重的交通事故，造成大面积交通瘫痪，严重阻碍了交通出行、人民正常生活和经济发展，甚至危及生命。至今，我国仍大量使用氯盐类融雪剂，在快速解决大雪带来的交通拥堵问题、缓解雪后的交通压力的同时，所带来的负面效应非常严重。氯盐类融雪剂会随着水流流向绿化带的土壤中并在土壤中积累，导致土壤盐渍化，植物枯萎死亡，渗透进地表，势必会对地下水资源造成污染，饮用被氯盐类融雪剂污染的水将对人体健康产生严重危害。本发明提供一种路用抑冰涂层的制备方法，借鉴荷叶及昆虫翅膀表面微构造特征，基于超疏水抑冰理念，通过对微-纳米材料低表面能结构重组以达到超疏水性能，参考耐候性较好的涂料制备成膜组分，合成新型抑冰涂层，针对现阶段使用的氯盐类融雪剂产生的一系列问题，抑冰涂层一次施工可多次融冰，并对路面、桥梁钢结构、附属设施及周边环境没有危害，节省人力劳动，低碳环保，经济适用。适用于各种类型的路面，施工便捷，对主动除冰雪技术的发展有重要意义。

根据本发明提供的专利技术，通过产学研相结合，积极与相关企业合作，能够研发出具有自主知识产权的抑冰涂层，用于各种道路路面中，改善了司乘人员在冬季雪天行车的舒适性，使各种类型道路具有安全、低碳、环保等特点。本发明体现了以人为本的建设理念，更好地适应我国城镇化的发展趋势，推进城市建设布局更加趋于合理化，具有良好的社会、环境效益。

附图说明

图1为新型路用超疏水抑冰涂层结构示意图；

图2为新型路用超疏水抑冰涂层表面的表观接触角。

在图1～图2中，1为纳米二氧化钛；2为超疏水低表面能颗粒；3为湿固化型聚氨酯。

具体实施方式

本发明提供一种新型路用超疏水抑冰涂层的制备方法，具体实施步骤如下：

1)将纳米二氧化钛1放入无水乙醇进行超声破碎，在室温下使其溶解均匀，加入硬脂酸，进行超声混溶，制得混合溶液；

2)将步骤1)制得的混合溶液在70℃的温度下进行磁力搅拌5～12小时，冷却至25℃再进行磁力搅拌1～4小时，待其静置2～8小时使其稳定后，加入等体积无水乙醇后离心去除上清液，将所得溶液在140℃下鼓风干燥2～4小时，制得超疏水改性纳米复合颗粒1与2；

3)在四口瓶中加入真空脱水过的环氧丙烷和羟基硅油，加热该溶液使其温度升至60℃，滴加甲苯二异氰酸酯，恒温反应3小时后，滴加催化剂，控制反应温度为65～70℃，反应1小时，选择配比值，制得湿固化型聚氨酯3；

4)将步骤3)中制得的湿固化型聚氨酯3及步骤2)中制得的超疏水改性纳米复合颗粒2，复合制备得具有超疏水效果的抑冰涂层；

5)根据傅里叶定律以及Young’s方程推导公式，建立水滴在材料表面接触时的空气垫模型，测量涂层表面的表观接触角，经反复试验，调整各组分添加量，确定各组分的最佳掺杂量，评价涂层的疏水性能，最终测得涂层表面的表观接触角大于150°，从而实现涂层的超疏水效果。

所述的步骤1)，纳米二氧化钛1质量为2～10克，超声破碎时间为0.5～2小时。

所述的步骤1)，无水乙醇的体积为100～300毫升。

所述的步骤1)，硬脂酸的质量为10～50克，超声混溶时间0.5～2小时。

所述的步骤2)，离心时间为10～30分钟。

所述的步骤3)，所述的配比值为1.4～3。

Claims (6)

1.一种新型路用超疏水抑冰涂层的制备方法，其特征在于在该方法的具体步骤如下：

1)将纳米二氧化钛(1)放入无水乙醇进行超声破碎，在室温下使其溶解均匀，加入硬脂酸，进行超声混溶，制得混合溶液；

2)将步骤1)制得的混合溶液在70℃的温度下进行磁力搅拌5～12小时，冷却至25℃再进行磁力搅拌1～4小时，待其静置2～8小时使其稳定后，加入等体积无水乙醇后离心去除上清液，将所得溶液在140℃下鼓风干燥2～4小时，制得超疏水改性纳米复合颗粒(1)与(2)；

3)在四口瓶中加入真空脱水过的环氧丙烷和羟基硅油，加热该溶液使其温度升至60℃，滴加甲苯二异氰酸酯，恒温反应3小时后，滴加催化剂，控制反应温度为65～70℃，反应1小时，选择配比值，制得湿固化型聚氨酯(3)；

4)将步骤3)中制得的湿固化型聚氨酯(3)及步骤2)中制得的超疏水改性纳米复合颗粒(1)与(2)，复合制备得具有超疏水效果的抑冰涂层；

5)根据傅里叶定律以及Young’s方程推导公式，建立水滴在材料表面接触时的空气垫模型，测量涂层表面的表观接触角，经反复试验，调整各组分添加量，确定各组分的最佳掺杂量，评价涂层的疏水性能，最终测得涂层表面的表观接触角大于150°，从而实现涂层的超疏水效果。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的步骤1)，纳米二氧化钛(1)质量为2～10克，超声破碎时间为0.5～2小时。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的步骤1)，无水乙醇的体积为100～300毫升。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的步骤1)，硬脂酸的质量为10～50克，超声混溶时间0.5～2小时。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的步骤2)，离心时间为10～30分钟。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的步骤3)，所述的配比值为1.4～3。