CN111188039A - 一种具有低覆冰粘附性能的涂层及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及防结冰材料技术领域，具体涉及一种具有低覆冰粘附性能的涂层及其制备方法和应用。本发明首先对基材进行表面带电改性处理，得到表面带正电荷的基材；然后将表面带电改性基材浸渍于聚四氟乙烯(PTFE)胶体分散液中，PTFE胶体颗粒在静电力、界面张力和重力的共同作用下，以自组装的方式均匀铺展、沉积在带电表面上；最后，经过烧结处理，PTFE胶体颗粒熔化，从而在基材表面形成致密均匀、粘附力强的薄膜涂层。本发明提供的涂层，在低温环境下在大尺寸表面基材上可以实现单位宽度的除冰剪切力在50～100N范围内，可多次重复使用，耐久性能好。

Description

一种具有低覆冰粘附性能的涂层及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及防结冰材料技术领域，具体涉及一种具有低覆冰粘附性能的涂层及其制备方法和应用。
背景技术
冰雪是自然界最为常见的自然现象之一，与人类的生产生活密切相关。但对于许多领域，如航空航天、电力输送、风力发电及农业生产等，覆冰具有较大的危害，给生产和生活造成巨大的经济和能源损失。因此减小冰层在基底上的粘附一直备受人们的关注，许多防/除冰的方法也应运而生。
现有的被动方式的除冰技术大多在基底表面进行涂层的制备，现有技术中公开的制备防结冰涂层的涂料主要分两类，一类是亲水性防结冰涂料(例如CN1632014，CN1916094A)，其防结冰效果受材料的吸水量与吸水速率影响较大，不适用于高湿度、长时间持续低温的环境，且重复性不好，防结冰寿命有限。另一类是疏水性防结冰材料(例如CN101579670A)，其疏水性能和脱冰性能有限。由此可知，无论是亲水性防结冰涂料制备得到的防结冰涂层还是疏水性防结冰材料制备得到的防结冰涂层均存在除冰性能不佳、持久性差的缺陷。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种具有低覆冰粘附性能的涂层及其制备方法和应用，本发明提供的具有低覆冰粘附性能的涂层，厚度为0.2～10μm，单位宽度的除冰能力为50～100N，能够实现大于10次的结冰/除冰循环，除冰能力优异且耐久性好，可多次重复使用。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供了一种具有低覆冰粘附性能的涂层的制备方法，包括以下步骤：
将基材进行表面带电改性处理，得到表面带正电的改性基材；
将所述表面带正电的改性基材浸渍于聚四氟乙烯胶体分散液中，在所述表面带正电的改性基材的表面自组装得到聚四氟乙烯膜；
将所述聚四氟乙烯膜进行烧结处理，得到具有低覆冰粘附性能的涂层。
优选的，所述表面带电改性处理为：将基材浸渍于表面带电改性处理溶液中，进行表面带电改性处理；
所述表面带电改性处理溶液为PDDA和NaCl的混合溶液；
所述PDDA和NaCl的混合溶液中PDDA的质量百分数为0.1～1％，NaCl的浓度为0.01～0.1mmol/L。
优选的，所述表面带电改性处理的时间为4～12min。
优选的，所述聚四氟乙烯胶体分散液中聚四氟乙烯的质量百分数为1～10％；平均粒径为50～5000nm。
优选的，所述聚四氟乙烯胶体分散液的溶剂为乙醇-水溶液，所述乙醇-水溶液中乙醇的质量百分数为1～30％。
优选的，所述自组装的时间为20～300min。
优选的，所述烧结处理包括依次进行的初步烧结处理和最终烧结处理；
所述初步烧结的温度为50～100℃，时间为5～25min；
所述最终烧结的温度为300～450℃，时间为10～40min。
本发明还提供了上述制备方法得到的具有低覆冰粘附性能的涂层，所述涂层的厚度为0.2～10μm。
本发明还提供了所述的具有低覆冰粘附性能的涂层在防结冰材料中的应用。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明提供了一种具有低覆冰粘附性能的涂层的制备方法，包括以下步骤：将基材进行表面带电改性处理，得到表面带正电的改性基材；将所述表面带正电的改性基材浸渍于聚四氟乙烯胶体分散液中，在所述表面带正电的改性基材的表面自组装得到聚四氟乙烯膜；将所述聚四氟乙烯膜进行烧结处理，得到具有低覆冰粘附性能的涂层。本发明首先对基材进行表面带电改性处理，得到表面带正电荷的基材；然后将表面带正电荷的基材浸渍于聚四氟乙烯(PTFE)胶体分散液中，PTFE胶体颗粒在静电力、界面张力和重力的共同作用下，以自组装的方式均匀铺展、沉积在带电表面上；最后，经过烧结处理，PTFE胶体颗粒熔化，从而在基材表面形成致密均匀、粘附力强的薄膜涂层。实施例的结果表明，本发明提供的具有低覆冰粘附性能的涂层，在低温环境下在大尺寸表面基材上可以实现单位宽度的除冰剪切力在50～100N范围内，在1m×1m×5mm的基材上冻结的冰层达到5～15mm时，可实现冰层仅依靠重力自行脱落，适合于大尺寸材料表面的除冰；经过结冰/除冰循环测试，证明本发明提供的具有低覆冰粘附性能的涂层可实现大于10次的结冰/除冰循环，同时单位宽度的除冰剪切力保持在50N～100N之间，可实现多次重复使用，耐久性能好。
附图说明
图1为本发明实施例中具有低覆冰粘附性能的涂层的制备方法的流程图；
图2为本发明实施例1制备得到的涂层的扫描电镜图；
图3为本发明实施例1、2和3中制备得到的表面具有涂层的铝板试样进行除冰性能测试的实验装置图；
图4为本发明实施例1、2和3制备得到的涂层、未经涂层处理的光滑铝板除冰所需剪切力和长度的对比曲线图；
图5为本发明实施例1制备得到的涂层在10次除冰循环过程中的恒定剪切力的变化曲线图；
图6为本发明实施例1制备得到的涂层上冻结的98cm×96cm×1cm的冰块在自重下脱落的过程照片；图中：(A)脱落前；(B)脱落中；(C)脱落后；
图7为本发明实施例1制备得到的涂层和未经涂层处理的光滑铝板上冻结尺寸为95cm×3cm×5mm的冰块超过8小时后，进行偏心负载弯曲试验的结果对比图。
具体实施方式
本发明提供了一种具有低覆冰粘附性能的涂层的制备方法，包括以下步骤：
将基材进行表面带电改性处理，得到表面带正电的改性基材；
将所述表面带正电的改性基材浸渍于聚四氟乙烯胶体分散液中，在所述表面带正电的改性基材的表面自组装得到聚四氟乙烯膜；
将所述聚四氟乙烯膜进行烧结处理，得到具有低覆冰粘附性能的涂层。
在本发明中，对所述基材的材质没有特殊要求，选择常见的金属、金属氧化物、陶瓷、玻璃、硅基底、有机聚合物等基材均能实现本发明所述的具有低覆冰粘附性能的涂层的制备。
在本发明中，对所述基材进行进行表面带电改性处理之前，优选对所述基材进行预处理。所述预处理过程优选包括依次进行砂纸打磨抛光和清洗。所述砂纸打磨抛光的过程优选进行1～2次，更优选为2次，所述砂纸的目数优选为50～2000目，进一步优选为80～1200目。所述清洗的过程优选采用水进行清洗，进一步优选为去离子水。
在本发明中，所述表面带电改性处理优选为：将基材浸渍于表面带电改性处理溶液中，进行表面带电改性处理；所述表面带电改性处理溶液优选为PDDA和NaCl的混合溶液。在本发明中，所述PDDA和NaCl的混合溶液中PDDA的质量百分数优选为0.1～1％，进一步优选为0.25～0.83％，更优选为0.34～0.65％；所述所述PDDA和NaCl的混合溶液中NaCl的浓度优选为0.01～0.1mmol/L，进一步优选为0.03～0.084mmol/L，更优选为0.045～0.078mmol/L。在本发明中，所述PDDA和NaCl的混合溶液的溶剂优选为水。在本发明中，所述表面带电改性处理的时间优选为4～12min，进一步优选为5.6～10.3min，更优选为6.4～8.7min。
在本发明中，对基材进行表面带电改性处理，能够使基材表面带正电荷，更有利于PTFE颗粒在带电表面完成自组装，使PTFE颗粒均匀铺展、沉积在带电表面上。
得到表面带正电的改性基材后；将所述表面带正电的改性基材浸渍于聚四氟乙烯胶体分散液中，在所述表面带正电的改性基材的表面自组装得到聚四氟乙烯膜。
在本发明中，所述聚四氟乙烯胶体分散液中聚四氟乙烯的质量百分数优选为1～10％，进一步优选为2.5～8.7％，更优选为3.4～6.5％；所述聚四氟乙烯的平均粒径优选为50～5000nm，进一步优选为100～4500nm，更优选为350～3600nm。在本发明中，所述聚四氟乙烯胶体分散液的溶剂优选为乙醇-水溶液，所述乙醇-水溶液中乙醇的质量百分数优选为1～30％，进一步优选为5～26.5％，更优选为7.8～23.4％。在本发明中，对所述聚四氟乙烯胶体分散液的来源没有特殊要求，采用市售产品即可，在本发明的实施例中，所述聚四氟乙烯胶体分散液购买自三爱富新材料有限公司，浓度为60％wt PTFE分散液，颗粒尺寸为200nm，在本发明的实施例中将购买得到的浓度为60％wt PTFE分散液用所述溶剂稀释到所需浓度后使用。
在本发明中，所述自组装的时间优选为20～300min，进一步优选为30～180min，更优选为30～60min。在本发明中，对所述自组装的温度没有特殊要求，在室温(25℃左右)条件下将所述表面带正电的改性基材静置于PTFE胶体分散液中即可。
在本发明中，所述聚四氟乙烯胶体分散液中的聚四氟乙烯颗粒带负电，与带正电荷的基材表面接触后，在静电力、界面张力和重力的共同作用下，以自组装的方式均匀铺展、沉积在带电表面上，而且，聚四氟乙烯材料本身具有的低表面能和与水较高的接触角的疏水性能也能够提高涂层产品的低覆冰粘附性能。
得到聚四氟乙烯膜后，将所述聚四氟乙烯膜进行烧结处理，得到具有低覆冰粘附性能的涂层。
在本发明中，所述烧结处理优选包括依次进行的初步烧结处理和最终烧结处理；在本发明中，所述初步烧结的温度优选为50～100℃，进一步优选为62～84℃，更进步优选为68～80℃；时间为5～25min，进一步优选为6～17min，更进步优选为8～15min；在本发明中，所述最终烧结的温度为300～450℃，进一步优选为320～410℃，更进步优选为340～398℃；时间为10～40min，进一步优选为12～37min，更进步优选为15～32min。在本发明中，对所述初步烧结处理和最终烧结处理的升温速率没有特殊要求，保证达到所述初步烧结处理和最终烧结处理的温度范围即可。
在本发明中，对所述初步烧结处理和最终烧结处理的烧结设备没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知的干燥、烧结设备即可，在本发明的实施例中，所述初步烧结处理优选在烘箱中进行，所述最终烧结处理优选在马弗炉中进行。
在本发明中，所述烧结处理的具体过程优选为先将所述烧结设备加热至烧结温度，然后将组装有聚四氟乙烯膜的基材放入所述烧结设备中，进行烧结处理。
在本发明中，通过烧结处理，沉积在带电表面上的聚四氟乙烯颗粒熔化，从而在基材表面形成致密均匀、粘附力强的薄膜涂层。
在本发明中，完成烧结处理后，随炉冷却至室温即可。
本发明还提供了上述制备方法得到的具有低覆冰粘附性能的涂层，所述涂层的厚度优选为0.2～10μm，进一步优选为0.35～9.4μm，更优选为0.47～8.2μm。
本发明还提供了所述的具有低覆冰粘附性能的涂层在防结冰材料中的应用。
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1
依次使用80目砂纸和1200目砂纸对铝板(规格100cm×100cm×5mm)表面先后进行抛光，抛光后用去离子水清洗；
将铝板基材浸渍在质量分数为0.1％的PDDA和摩尔浓度为0.025mmol/L的NaCl混合溶液中进行表面带电改性处理，处理时间为5min；
配制PTFE胶体分散液，溶剂为乙醇的质量分数1％的无水乙醇-水，PTFE(平均粒径为200nm)的质量分数为2％，将表面带电改性处理后的铝板基材浸渍在PTFE胶体分散液中进行自组装60min，随后将组装有聚四氟乙烯膜的基材放入60℃的烘箱中进行初步烧结，时间为10min；
最后再将组装有聚四氟乙烯膜的基材放入340℃的马弗炉中进行最终烧结，时间为20min，之后随炉冷却至室温，得到表面具有约5μm涂层的铝板试样，电镜显微照片如图2。
实施例2
依次使用80目砂纸和1200目砂纸对铝板(规格100cm×100cm×5mm)表面先后进行抛光，抛光后用去离子水清洗；
将铝板基材浸渍在质量分数为0.1％的PDDA和摩尔浓度为0.025mmol/L的NaCl混合溶液中进行表面带电改性处理，处理时间为5min；
配制PTFE胶体分散液，溶剂为乙醇的质量分数1％的无水乙醇-水，PTFE(平均粒径为200nm)的质量分数为5％，将表面带电改性处理后的铝板基材浸渍在PTFE胶体分散液中进行自组装60min，随后将组装有聚四氟乙烯膜的基材放入60℃的烘箱中进行初步烧结，时间为10min；
最后再将组装有聚四氟乙烯膜的基材放入340℃的马弗炉中进行最终烧结，时间为40min，之后随炉冷却至室温，得到表面具有PTFE涂层处理的铝板试样。
实施例3
依次使用80目砂纸和1200目砂纸对铝板(规格100cm×100cm×5mm)表面先后进行抛光，抛光后用去离子水清洗；
将铝板基材浸渍在质量分数为0.1％的PDDA和摩尔浓度为0.025mmol/L的NaCl混合溶液中进行表面带电改性处理，处理时间为5min；
配制PTFE胶体分散液，溶剂为乙醇的质量分数1％的无水乙醇-水，PTFE(平均粒径为200nm)的质量分数为5％，将表面带电改性处理后的铝板基材浸渍在PTFE胶体分散液中进行自组装60min，随后将组装有聚四氟乙烯膜的基材放入60℃的烘箱中进行初步烧结，时间为10min；
最后再将组装有聚四氟乙烯膜的基材放入380℃的马弗炉中进行最终烧结，时间为40min，之后随炉冷却至室温，得到经过PTFE涂层处理的铝板试样。
测试例
对实施例1、2和3中制备得到的表面具有涂层的铝板试样进行如图3所示的除冰性能测试。
在-10℃环境下，在材料(铝板)表面用去离子水冻成单位宽度、特定长度的冰块，并在该环境下保持至少8小时。使用步进电机、测力计和直线运动平台等配件自制测力平台在距离材料表面3mm处以0.1mm/s的速度推动冰块直至界面分离。该过程的数据通过上位机及配套软件获得并处理。与光滑铝板相比，采用上述实施例获得的涂层除冰所需的剪切力明显减小(如图4所示)，单位宽度的除冰剪切力稳定在50～100N范围内。
在温度低于-5℃冬季户外环境下使用自来水在表面冻冰超过8小时，发现当冻结的冰层厚度达到5mm～15mm时，可实现冰层仅依靠重力自行脱落(如图6所示)，适合于大尺寸材料表面的除冰。
在环境温度为-15℃时，在光滑铝条和表面有PTFE自组装涂层(制备方法参考实施例1)的铝条(1m×4cm×3mm)上使用去离子水冻结尺寸为95cm×3cm×5mm的冰块超过8小时后，进行偏心负载弯曲试验。发现经过自组装涂层处理的铝条仅需要较小的弯曲角度就可以使冰块掉落，且掉落后表面未发现残留的冰体(如图7所示)。
对所获得涂层(制备方法参考实施例1)进行结冰/除冰循环测试实验(推力测量条件与上述相同每次循环取样点为3个)由结果(如图5所示)可知，本发明实施例1制备得到的表面具有涂层的铝板试样经过10次的结冰/除冰循环，平均除冰力均保持在50N-100N之间，可实现多次重复使用，耐久性较好。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种具有低覆冰粘附性能的涂层的制备方法，包括以下步骤：
将基材进行表面带电改性处理，得到表面带正电的改性基材；
将所述表面带正电的改性基材浸渍于聚四氟乙烯胶体分散液中，在所述表面带正电的改性基材的表面自组装得到聚四氟乙烯膜；
将所述聚四氟乙烯膜进行烧结处理，得到具有低覆冰粘附性能的涂层。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述表面带电改性处理为：将基材浸渍于表面带电改性处理溶液中，进行表面带电改性处理；
所述表面带电改性处理溶液为PDDA和NaCl的混合溶液；
所述PDDA和NaCl的混合溶液中PDDA的质量百分数为0.1～1％，NaCl的浓度为0.01～0.1mmol/L。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述表面带电改性处理的时间为4～12min。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述聚四氟乙烯胶体分散液中聚四氟乙烯的质量百分数为1～10％；平均粒径为50～5000nm。
5.根据权利要求1或4所述的制备方法，其特征在于，所述聚四氟乙烯胶体分散液的溶剂为乙醇-水溶液，所述乙醇-水溶液中乙醇的质量百分数为1～30％。
6.根据权利要求1或4所述的制备方法，其特征在于，所述自组装的时间为20～300min。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述烧结处理包括依次进行的初步烧结处理和最终烧结处理；
所述初步烧结的温度为50～100℃，时间为5～25min；
所述最终烧结的温度为300～450℃，时间为10～40min。
8.权利要求1～7任意一项所述制备方法得到的具有低覆冰粘附性能的涂层，所述涂层的厚度为0.2～10μm。
9.权利要求8所述的具有低覆冰粘附性能的涂层在防结冰材料中的应用。
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