CN109423090A - 飞行器金属基体超疏水防结冰耐磨涂料及制备方法 - Google Patents

飞行器金属基体超疏水防结冰耐磨涂料及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种飞行器金属基体超疏水防结冰耐磨涂料及其制备方法，属于特殊涂料技术领域。该涂料包括按质量份计的组分：粘结剂62.7‑65.7份、填料33.3‑38.3份、添加剂23份，附着力促进剂1.5份、有机氟防水剂7.1份。本文还提供了飞行器金属基体超疏水防结冰耐磨涂料的制备方法。本发明制备的涂料涂层可使飞行器金属基体表面具有优良的拒水性、防水防冻和疏水疏油性能、耐磨性以及抗静电性、隔热性、防霉杀菌和防污性。

Description

飞行器金属基体超疏水防结冰耐磨涂料及制备方法
技术领域
本发明属于防结冰材料技术领域，具体涉及到一种用于飞行器金属基体超疏水防结冰耐磨涂料的制备方法。
背景技术
结冰给交通运输、电力、建筑及农业等领域带来许多问题，易导致严重的交通事故，使风电叶片运转困难而影响叶片能量输出，破坏电线及庄稼，使飞机引擎停止运行，从而给国民经济造成了严重危害。因此，开展防覆冰技术研究具有重要意义。
防覆冰技术的开发可追溯到20地纪50年代末期。迄今为止，通常采用的除冰方法主要有涂撒防结冰剂、机械除冰、热力除冰、自然被动除冰法等。
涂撒防结冰剂对基材表面涂撒防结冰剂，目的是降低冰点。防结冰剂一般是液体或盐类，对土壤有污染和腐蚀性，只能临时涂撒，时效较短。防结冰剂主要用于路面除冰，效果明显。
机械除冰采用适当的除冰机械和设施进行除冰。其特点是运行成本低、能耗小，但效率低、操作困难且受天气和地形等限制，故只能作为一种应急方法，难以大范围推广应用。
热力除冰通过附加热源使材料表面温度维持在冰点以上，从而达到防覆冰的目的。该方法效果较明显，但能耗大、设备投资成本高且使用范围较小，不适用于远距离除冰。
自然被动除冰利用风和自然力的作用，再辅以恰当的人工设备(例如在导线上安装阻雪环、平衡锤等装置)，使冰不易聚结而白行脱落，从而起到防覆冰的作用。该方法简单易行、成本低，但在地理环境方面有一定的局限性，不能全面彻底防止输电线路覆冰的危害。
其他除冰方法如电场(或磁场)除冰、碰撞前颗粒冻结、超声技术和电晕技术等。
上述防覆冰的方法都存在一定的局限性，目前的研究集中在防覆冰超疏水性涂层的相关技术与方法，突出以防为主，以方便、高效、节能和经济为目的。
防覆冰性与超疏水表面
大量试验和理论研究表明：冰的附着减少与超疏水表面有一定的关联性，超疏水表面可以防止过冷水形成冰，具有防覆冰性。超疏水性表面的特征是高水接触角(通常＞150°)和低接触角滞后(或液滴滚动角，通常＜10°)。超疏水表面除了具有显著的疏水性以外，还可减少雪和冰在其表面的聚集，甚至可以完全防止固体表面结冰。
防覆冰原理
防覆冰涂层是指冰不易(或不能)牢固黏附的涂层，其可减少(或阻滞)冰在材料表面的凝结、黏附和累积，使冰更易除去，但不能完全阻止结冰。材料表面结冰的3个必要条件是：①大气中必须有足够的过冷水滴；②过冷水滴被材料表面捕获；③过冷水滴在离开材料表面前结冰。水在低温时的结冰是不可改变的物理现象，故防止结冰的最佳办法就是使水在结冰前尽可能快的离开材料表面，从而达到防止结冰的目的。
涂料防覆冰的原理可简单归结为不易结冰和易于除冰。前者是水在涂层表面呈珠状分布，减小了水与底材的接触面积，导致的结果之一是水向温度更低的底材有效传热面积减少，水以液态形式存在的时间被延长了；导致的结果之二是液态水珠在有一定倾斜度的表面上附着不牢，在结冰前从表面滑落。后者是冰与涂层表面的附着力降低，冰与底材表面的接触面积急剧下降，促使冰极易在自然力，如重力、风和振动等作用下从表面滑落。
超疏水表面制备
许多学者从微观结构方面揭示了荷叶“出淤泥而不染”的超疏水自洁机制。研究表明：荷叶表面独特的表面微纳米结构与蜡状物的完美结合是“荷叶效应”的真正原因。这种独特结构可形成极大静态水接触角和极小水接触角滞后(或液滴滚动角)，这种表面便于水珠形成，使之轻易滚动并带走表面上的污染物，从而达到自洁的目的。液体对固体的润湿是常见的界面现象，润湿性是固体表面的一个重要特性。通常液体对固体的润湿性可用接触角来表示：接触角＞90°的表面为疏水表面，接触角＞150°的表面为超疏水表面。有关研究结果表明：固体表面润湿性由表面化学组成和表面粗糙度这两个因素共同决定。目前，超疏水表面采用两种方法制备，一是在具有一定粗糙度的表面上修饰低表面能物质，另一种是利用低表面能材料构建粗糙度。典型的低表面能材料是有机硅、氟树脂及其相应的改性树脂等，上述材料在制备疏水性表面方面具有很重要的作用。
超疏水防覆冰涂料
纳米复合材料超疏水涂料具有防覆冰性。只要复合材料中纳米颗粒的尺寸合适，则其涂料无论是在试验条件下还是在自然环境中都可有效防止过冷水形成冰。过冷水在超疏水表面上结冰是一个复杂的现象，这与冰的附着力、流体动力学条件及表面水膜的结构有关，这些因素对冰冻的影响需进一步研究。防覆冰涂料是使涂料表面具有超疏水性特征，以此来缩短水滴在该涂料表面的停留时间，使水滴在结冰之前从材料表面滑落，从而达到减轻或防止结冰的目的。目前研制的超疏水防覆冰涂料，尽管已经表现出防覆冰特性，但涂层结构易磨损，使用寿命很短，提高涂层的耐磨性是当务之急。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种用于飞行器金属基体超疏水防结冰耐磨涂料。
本发明的另一目的在于提供一种用于飞行器金属基体超疏水防结冰耐磨涂料的制备方法。
本发明目的是通过如下技术方案实现的：一种用于飞行器金属基体超疏水防结冰耐磨涂料的质量份组分包括：水性丙烯酸树脂45.8-46.8份、玻璃微珠11.5-12.5份、水合硅酸镁2.9-3.9份、乙二醇乙醚8.5-9.5份、丙烯酸异辛酯7.1-8.1份、酚醛树脂10.0-11.0份、烯丙基磺酸钠3.3-4.3份、硅溶胶6.9-7.9份；添加剂23份。添加剂的质量份组成为：4-甲基环乙基异氰酸酯：1.6份、氨基甲酸乙酯：3.3份、α-亚麻酸：0.6份、乙氧化双酚A二甲基丙烯酸酯：3.3份、三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯：0.8份、过氧化苯甲酰：1.2份、丙烯酸丁酯：0.3份、2-羟基-1，2二苯基乙酮：0.9份、纳米ITO：0.7份、纳米氧化镁：0.8份、纳米二氧化钛：0.4份、乙烯-醋酸乙烯：0.6份、聚氧乙烯脂肪醇醚：0.9份、聚二甲基硅氧烷：0.4份、水杨酸钠：1.3份、附着力促进剂：1.5份、有机氟防水剂：7.1份。
本发明的飞行器金属基体超疏水防结冰耐磨涂料的制备包括以下步骤：
(一)以设定的质量份，将水性丙烯酸树脂、酚醛树脂、硅溶胶，加入搅拌机中1000-1200rpm搅拌20-50min，得涂料粘结剂；
(二)按设定的质量份将玻璃微珠、水合硅酸镁、乙二醇乙醚、丙烯酸异辛酯、烯丙基磺酸钠、各组分进行加热搅拌混合均匀，得到添加剂；加热温度为85-87℃，搅拌速度为250-300rpm；
(三)将涂料粘结剂与添加剂按设定的配比进行混合，得到飞行器金属基体超疏水防结冰耐磨涂料。
木发明的有益效果是：木发明的涂料具有与飞行器金属基体良好的附着力，所得涂层具有优异的冲击强度，冲击强度可达65-71kg·cm，附着力为0-1级。本发明的飞行器金属基体用超疏水、防结冰、耐磨涂料含有特定的添加剂，在飞行器金属基体表面上涂上本发明的涂料后，添加剂在室外紫外光线的作用下，其中聚合物会发生二次共聚和交联反应，生成网状结构的保护膜，使飞行器金属基体表面具有优良的拒水性、防水防冻和疏水疏油性能，使其用于雨天寒冷环境时仍保持优良性能；根据试验，将涂装本发明涂料的钢铁零件置于暴雨中，拒水性能是未涂涂料的对比材料的6-7倍；将涂装本发明涂料的钢铁零件置于零下1-15℃的环境中，雨水后表面不易结冰。另外，本发明添加剂的纳米ITO、纳米氧化镁、纳米二氧化钛能等成分的加入，使飞行器金属基体表面具有很好的抗静电性和隔热性，且具有防霉杀菌和防污性，还能提高其耐磨损性，获得了意想不到的技术效果。
具体实施方式
实施例1
本实施例一种用于飞行器金属基体超疏水防结冰耐磨涂料的质量份组分包括：水性丙烯酸树脂45.8份、玻璃微珠11.5份、水合硅酸镁2.9份、乙二醇乙醚8.5份、丙烯酸异辛酯7.1份、酚醛树脂10.0份、烯丙基磺酸钠3.3份、硅溶胶6.9份、添加剂23份。
添加剂的质量比组分为：4-甲基环乙基异氰酸酯：1.1份、氨基甲酸乙酯：2.8份、α-亚麻酸：0.1份、乙氧化双酚A二甲基丙烯酸酯：0.1份、三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯：0.3份、过氧化苯甲酰：0.7份、丙烯酸丁酯：0.1份、2-羟基-1，2二苯基乙酮：0.4份、纳米ITO：0.2份、纳米氧化镁0.3份、纳米二氧化钛：0.1份、乙烯-醋酸乙烯：0.1份、聚氧乙烯脂肪醇醚：0.4份、聚二甲基硅氧烷：0.1份、水杨酸钠：0.8份、附着力促进剂：1.0份、有机氟防水剂：7.1份。
本发明的飞行器金属基体用防水涂料的制备包括以下步聚：
(一)以设定的质量份，将水性丙烯酸树脂、酚醛树脂、硅溶胶，加入搅拌机中1000rpm搅拌50min，得涂料粘结剂；
(二)按设定的质量份将玻璃微珠、水合硅酸镁、乙二醇乙醚、丙烯酸异辛酯、烯丙基磺酸钠各组分进行加热搅拌混合均匀，得到添加剂；加热温度为85℃，搅拌速度为250rpm；
(三)将添加剂组份按设定的配比与除添加剂组份外的混合物进行混合，得到飞行器金属基体超疏水防结冰耐磨涂料。
实施例2
本实施例一种用于飞行器金属基体超疏水防结冰耐磨涂料的质量份组分包括：水性丙烯酸树脂46.3份、玻璃微珠12.0份、水合硅酸镁3.4份、乙二醇乙醚9.0份、丙烯酸异辛酯7.6份、酚醛树脂10.5份、烯丙基磺酸钠3.8份、硅溶胶7.4份、添加剂23份。
添加剂的质量比组分为：4-甲基环乙基异氰酸酯：1.6份、氨基甲酸乙酯：3.3份、α-亚麻酸：0.6份、乙氧化双酚A二甲基丙烯酸酯：0.6份、三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯：0.8份、过氧化苯甲酰：1.2份、丙烯酸丁酯：0.6份、2-羟基-1，2二苯基乙酮：0.9份、纳米ITO：0.7份、纳米氧化镁0.8份、纳米二氧化钛：0.6份、乙烯-醋酸乙烯：0.6份、聚氧乙烯脂肪醇醚：0.9份、聚二甲基硅氧烷：0.6份、水杨酸钠：1.3份、附着力促进剂：1.5份、有机氟防水剂：7.1份。
本发明的飞行器金属基体用防水涂料的制备包括以下步聚：
(一)以设定的质量份，将水性丙烯酸树脂、酚醛树脂、硅溶胶，加入搅拌机中1100rpm搅拌40min，得涂料粘结剂；；
(二)按设定的质量份将玻璃微珠、水合硅酸镁、乙二醇乙醚、丙烯酸异辛酯、烯丙基磺酸钠各组分进行加热搅拌混合均匀，得到添加剂；加热温度为86℃，搅拌速度为280rpm；
(三)将添加剂组份按设定的配比与除添加剂组份外的混合物进行混合，得到飞行器金属基体超疏水防结冰耐磨涂料。
实施例3
本实施例一种用于飞行器金属基体超疏水防结冰耐磨涂料的质量份组分包括：水性丙烯酸树脂46.8份、玻璃微珠12.5份、水合硅酸镁3.9份、乙二醇乙醚9.5份、丙烯酸异辛酯8.1份、酚醛树脂11.0份、烯丙基磺酸钠4.2份、硅溶胶7.9份、添加剂23份、。
添加剂的质量比组分为：4-甲基环乙基异氰酸酯：2.1份、氨基甲酸乙酯：3.8份、α-亚麻酸：1.1份、乙氧化双酚A二甲基丙烯酸酯：1.1份、三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯：1.3份、过氧化苯甲酰：1.7份、丙烯酸丁酯：1.1份、2-羟基-1，2二苯基乙酮：1.4份、纳米ITO：1.2份、纳米氧化镁1.3份、纳米二氧化钛：1.1份、乙烯-醋酸乙烯：1.1份、聚氧乙烯脂肪醇醚：1.4份、聚二甲基硅氧烷：1.1份、水杨酸钠：1.8份、附着力促进剂：2.0份、有机氟防水剂：7.1份。
本发明的飞行器金属基体用防水涂料的制备包括以下步聚：
(一)以设定的质量份，将水性丙烯酸树脂、酚醛树脂、硅溶胶，加入搅拌机中1200rpm搅拌20min，得涂料粘结剂；
(二)按设定的质量份将玻璃微珠、水合硅酸镁、乙二醇乙醚、丙烯酸异辛酯、烯丙基磺酸钠各组分进行加热搅拌混合均匀，得到添加剂；加热温度为87℃，搅拌速度为300rpm；
(三)将添加剂组份按设定的配比与除添加剂组份外的混合物进行混合，得到飞行器金属基体超疏水防结冰耐磨涂料。

Claims (10)

1.一种飞行器金属基体超疏水防结冰耐磨涂料，其特征在于，按质量份计的组分，包括：粘结剂、填料、添加剂、附着力促进剂和有机氟防水剂。
2.根据权利要求1所述的飞行器金属基体超疏水防结冰耐磨涂料，其特征在于，所述粘结剂为水性丙烯酸树脂、酚醛树脂、硅溶胶。
3.根据权利要求2所述的飞行器金属基体超疏水防结冰耐磨涂料，其特征在于，所述粘结剂的质量份为：水性丙烯酸树脂45.8-46.8份、酚醛树脂10.0-11.0份、硅溶胶6.9-7.9份。
4.根据权利要求1所述的飞行器金属基体超疏水防结冰耐磨涂料，其特征在于，所述填料为玻璃微珠、水合硅酸镁、乙二醇乙醚、丙烯酸异辛酯、烯丙基磺酸钠。
5.根据权利要求4所述的飞行器金属基体超疏水防结冰耐磨涂料，其特征在于，所述填料的质量份为玻璃微珠11.5-12.5份、水合硅酸镁2.9-3.9份、乙二醇乙醚8.5-9.5份、丙烯酸异辛酯7.1-8.1份、烯丙基磺酸钠3.3-4.3份。
6.根据权利要求1所述的飞行器金属基体超疏水防结冰耐磨涂料，其特征在于，所述添加剂为：4-甲基环乙基异氰酸酯、氨基甲酸乙酯、α-亚麻酸、乙氧化双酚A二甲基丙烯酸酯、三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯、过氧化苯甲酰、丙烯酸丁酯、2-羟基-1，2二苯基乙酮、纳米ITO、纳米氧化镁、纳米二氧化钛、乙烯-醋酸乙烯、聚氧乙烯脂肪醇醚、聚二甲基硅氧烷、水杨酸钠。
7.根据权利要求6所述的飞行器金属基体超疏水防结冰耐磨涂料，其特征在于，所述添加剂的质量份为：4-甲基环乙基异氰酸酯1.6份、氨基甲酸乙酯3.3份、α-亚麻酸0.6份、乙氧化双酚A二甲基丙烯酸酯3.3份、三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯0.8份、过氧化苯甲酰1.2份、丙烯酸丁酯0.3份、2-羟基-1，2二苯基乙酮0.9份、纳米ITO 0.7份、纳米氧化镁0.8份、纳米二氧化钛0.4份、乙烯-醋酸乙烯0.6份、聚氧乙烯脂肪醇醚0.9份、聚二甲基硅氧烷0.4份、水杨酸钠1.3份。
8.根据权利要求1所述的飞行器金属基体超疏水防结冰耐磨涂料，其特征在于，所述附着力促进剂的质量份为1.5份。
9.根据权利要求1所述的飞行器金属基体超疏水防结冰耐磨涂料，其特征在于，所述有机氟防水剂的质量份为7.1份。
10.根据权利要求1～9任一所述的飞行器金属基体超疏水防结冰耐磨涂料的制备方法，其特征在于，将制得的粘结剂和加热制得的添加剂充分混合，再加入附着力促进剂和有机氟防水剂搅拌均匀，得到用于飞行器金属基体超疏水防结冰耐磨涂料，过滤后封装。
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