CN114921150B - 降低结冰附着强度的生物基环氧防除冰涂层的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种降低结冰附着强度的生物基环氧防除冰涂层的制备方法，通过将作为固化剂和疏水改性剂的双氨基封端的聚二甲基硅氧烷和作为交联剂的多环氧基团的生物基环氧单体在四氢呋喃中混合均匀并回流处理后，将所得的预聚物旋涂至基材表面并固化处理，得到生物基环氧防除冰涂层。本发明制备得到的生物基环氧防除冰涂层具有与玻璃相似的透过率；具有低表面能和低模量的性质，使得其具有较低的冰附着强度；并且在经过多次结冰/除冰循环和高低温处理一定时间后，其防冰性能几乎不变。

Description

降低结冰附着强度的生物基环氧防除冰涂层的制备方法
技术领域
本发明涉及的是一种飞行安全领域的技术，具体是一种降低结冰附着强度的生物基环氧防除冰涂层的制备方法。
背景技术
现有的飞机防除冰方法中热防冰虽然效果良好，但应用范围有限，能量消耗大；机械防冰最大的缺点在于脱落的冰块很有可能危及飞机上的其他部件；液体除冰方法需要大量的除冰液、成本高昂，可能对环境造成污染。超疏水表面由于具有高水接触角(CA)和低滑动角(SA)的特点，是被动除冰研究中最广泛的。这是因为固液界面处的隔热气穴可以通过显著减少固液接触面积和接触时间来阻止结冰；另外在冻结后，气穴可以起到了固有裂缝的作用。因此，可以显著延迟水的冻结时间，显著降低冰的附着强度。
然而，不幸的是，过冷的水分很容易渗透到这些涂层的孔隙中，并在那里形成霜，使其无法防霜；并且超疏水涂层在低温高湿条件下会失去超疏水性能，因此在防冰领域的应用仍然具有挑战性。因此，超疏水涂层只能延缓结冰一段时间。另外目前关于超疏水表面的研究大部分都运用到了不同纳米粒子以及含氟化合物，这对于人类身体健康以及环境安全都存在不可忽视的负面影响。光滑液体注入多孔表面由于具有表面润滑，可以创造超低冰附着强度的表面。但该表面会随着润滑剂的损失，其除冰性会下降非常快，其耐久性很差。除了上述缺陷之外，两种方法都普遍存在一个共同问题-所用的原料基本上都是不可再生资源，这对于节约资源以及可持续发展是非常不利的。
发明内容
本发明针对现有技术涉及多种原料的合成制备，过程复杂且使用原料都为不可再生资源，不利于材料的可持续发展等缺陷，提出一种降低结冰附着强度的生物基环氧防除冰涂层的制备方法，制备得到的生物基环氧防除冰涂层具有与玻璃相似的透过率；具有低表面能和低模量的性质，使得其具有较低的冰附着强度；并且在经过多次结冰/除冰循环和高低温处理一定时间后，其防冰性能几乎不变。该生物基环氧防除冰涂层的原料不含氟和纳米粒子，以可再生资源作为原料，为防除冰涂层的可持续发展，创造更大的经济效益和环境效益。该方法简单易操作，无需使用特制的仪器设备，且可操作性强，适合扩大化生产。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种降低结冰附着强度的生物基环氧防除冰涂层的制备方法，通过将作为固化剂和疏水改性剂的双氨基封端的聚二甲基硅氧烷和作为交联剂的多环氧基团的生物基环氧单体在四氢呋喃中混合均匀并回流处理后，将所得的预聚物旋涂至基材表面并固化处理，得到生物基环氧防除冰涂层。
所述的双氨基封端的聚二甲基硅氧烷由于具有双氨基和多个甲基可以作为固化剂和疏水改性剂，从而可以调控涂层的疏水性和防冰性，使所得涂层具有优异的防冰性能；另一方面，多官能基团的生物基环氧单体可以作为交联剂，赋予涂层优异的交联结构，从而具有优异的化学稳定性。
所述的双氨基封端的聚二甲基硅氧烷，具体为双(3-氨丙基)封端的聚二甲基硅氧烷，其分子量为1000-5000。
所述的多环氧基团的生物基环氧单体，具体为天然甘油的甘油三缩水甘油醚，其环氧值为0.65-0.70，优选为0.68。
所述的聚二甲基硅氧烷的氨基和甘油三缩水甘油醚的环氧基的摩尔比为1：1。
所述的回流处理温度为60-100℃，时间为8-40h，优选在80℃的条件下处理12-36h。
所述的固化处理温度为60-100℃，时间为4-30h，优选在80℃的真空烘箱中处理12-24h。
所述的基材，采用但不限于玻璃或铝板。
所述的四氢呋喃用量为聚二甲基硅氧烷和甘油三缩水甘油醚两者混合物呈现澄清透明现象即可。
技术效果
本发明以多官能度的生物基环氧和氨基封端的PDMS制备出可降低结冰附着强度的生物基环氧防冰涂层，与裸铝板相比，其结冰附着强度降低了5.9倍以上，具有优异的防冰性能。
附图说明
图1为实施例效果示意图；
图2为实施例冰附着强度示意图。
具体实施方式
实施例1
制备降低结冰附着强度的生物基环氧防除冰涂层，其制备方法如下：
步骤1)将分子量1000的双(3-氨丙基)聚二甲基硅氧烷与甘油三缩水醚混合均匀，加入适量的四氢呋喃直至混合液澄清透明，然后在80℃的条件下回流12h；
步骤2)将上述回流所得的预聚物旋涂到玻璃和铝板上，最后将涂层放置真空烘箱中固化6h即可。
测试上述方法制备得到的涂层，得到其接触角为114.01±0.34°；以纳米压痕法测试其机械性能，得到其硬度为0.47±0.01MPa，简约模量为1.21±0.01MPa。将装满水且内径为20mm的聚四氟乙烯模具倒扣在涂层上，并在-20℃的冰箱中冰冻24h，然后以含推拉力计仪器的设备测试其冰附着强度，其冰附着强度为30.6±3.8kPa。
实施例2
制备降低结冰附着强度的生物基环氧防除冰涂层，其制备方法如下：
步骤1)将分子量3000的双(3-氨丙基)聚二甲基硅氧烷与甘油三缩水甘油醚混合均匀，加入适量的四氢呋喃直至混合液澄清透明，然后在80℃的条件下回流28h；
步骤2)将上述回流所得的预聚物旋涂到玻璃和铝板上，最后将涂层放置真空烘箱中固化16h即可。
测试上述方法制备得到的涂层，得到其接触角为116.23±0.26°；以纳米压痕法测试其机械性能，得到其硬度为0.34±0.02MPa，简约模量为0.72±0.01MPa。将装满水且内径为20mm的聚四氟乙烯模具倒扣在涂层上，并在-20℃的冰箱中冰冻24h，然后以含推拉力计仪器的设备测试其冰附着强度，其冰附着强度为21.2±2.6kPa。
实施例3
制备降低结冰附着强度的生物基环氧防除冰涂层，其制备方法如下：
步骤1)将分子量5000的双(3-氨丙基)聚二甲基硅氧烷与甘油三缩水甘油醚混合均匀，加入适量的四氢呋喃直至混合液澄清透明，然后在80℃的条件下回流36h；
步骤2)将上述回流所得的预聚物旋涂到玻璃和铝板上，最后将涂层放置真空烘箱中固化24h即可。
测试上述方法制备得到的涂层，得到其接触角为119.74±0.86°；以纳米压痕法测试其机械性能，得到其硬度为0.27±0.01MPa，简约模量为0.53±0.02MPa。将装满水且内径为20mm的聚四氟乙烯模具倒扣在涂层上，并在-20℃的冰箱中冰冻24h，然后以含推拉力计仪器的设备测试其冰附着强度，其冰附着强度为16.0±3.2kPa。
如图1所示，为三种生物基环氧防除冰涂层，如图可见，该涂层具有很好的透过率，可以扩大涂层的使用范围，有望应用窗户等对透明度要求高的部件。
如图2所示，以不含涂层的裸铝板作为冰附着强度的对照样，其中涂层1～3分别是指：实施例1，实施例2和实施例3。
其裸铝板的冰附着强度为180±10.2kPa，而所制备的生物基环氧防除冰涂层的冰附着强度分别降低了5.9倍、8.5倍和11.3倍。
与现有技术相比，本方法操作简单，通过一步合成和旋涂即可制得最终涂层；无需特殊的仪器设备；原料为可再生资源得环氧单体，制备得到生物基环氧防冰涂层，有利于防冰涂层得可持续发展；具有优异的透过率，与裸玻璃相似，都在91.4％以上；具有优异的防冰性能，其结冰附着强度最低为16kPa。
综上，本发明未使用含氟化合物和纳米粒子，选用了可再生资源衍生物-甘油三缩水甘油醚，有利于环境保护、人类身体健康、节约资源，为设计环保型的防除冰涂层提供新思路；本发明选用了具有疏水性和柔性的聚二甲基硅氧烷，同时选用多官能度的甘油三缩水甘油醚，得到具有交联结构和低模量的防除冰涂层；由于具有低模量，有利于涂层与冰块之间产生空洞，从而空洞作为裂纹引发剂有利于冰的脱落；而交联结构又可以使其具有耐高低温性和优异的化学。本发明在前期制备过程采用一锅法，方法简单，无需使用特殊的仪器设备，可操作性强，适合扩大化生产。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (8)

1.一种降低结冰附着强度的生物基环氧防除冰涂层的制备方法，其特征在于，通过将作为固化剂和疏水改性剂的双(3-氨丙基)封端的聚二甲基硅氧烷和作为交联剂的天然甘油的甘油三缩水甘油醚在四氢呋喃中混合均匀并回流处理后，将所得的预聚物旋涂至基材表面并固化处理，得到生物基环氧防除冰涂层；
所述的双(3-氨丙基)封端的聚二甲基硅氧烷的氨基和甘油三缩水甘油醚的环氧基的摩尔比为1：1；
所述的双(3-氨丙基)封端的聚二甲基硅氧烷的分子量为1000-5000。
2.根据权利要求1所述的降低结冰附着强度的生物基环氧防除冰涂层的制备方法，其特征是，所述的天然甘油的甘油三缩水甘油醚的环氧值为0.65-0.70。
3.根据权利要求1所述的降低结冰附着强度的生物基环氧防除冰涂层的制备方法，其特征是，所述的回流处理温度为60-100℃，时间为8-40h。
4.根据权利要求1或3所述的降低结冰附着强度的生物基环氧防除冰涂层的制备方法，其特征是，所述的回流处理，在80 ℃的条件下处理12-36h。
5.根据权利要求1所述的降低结冰附着强度的生物基环氧防除冰涂层的制备方法，其特征是，所述的固化处理温度为60-100℃，时间为4-30h。
6.根据权利要求1或5所述的降低结冰附着强度的生物基环氧防除冰涂层的制备方法，其特征是，所述的固化处理在80 ℃的真空烘箱中处理12-24h。
7.根据权利要求1所述的降低结冰附着强度的生物基环氧防除冰涂层的制备方法，其特征是，所述的基材，采用玻璃或铝板。
8.根据权利要求1所述的降低结冰附着强度的生物基环氧防除冰涂层的制备方法，其特征是，所述的四氢呋喃用量为双(3-氨丙基)封端的聚二甲基硅氧烷和甘油三缩水甘油醚两者混合物呈现澄清透明现象即可。
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