CN115322631B - 透明光热防冰涂层以及风机叶片 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种透明光热防冰涂层以及具有该防冰涂层的风机叶片，该防冰涂层能够利用太阳光进行除冰，同时还能够避免太阳能光线以及高温对设备表面的损伤。该防冰涂层包括：结构层，至少具有涂层赋形材料；防冰层，形成于所述结构层上方，至少具有一种或多种透明的光热聚合物材料，所述结构层和/或所述防冰层表面形成有光栅结构。本发明的另一方面提供了一种风机叶片，该风机叶片设置有上述防冰涂层。

Description

透明光热防冰涂层以及风机叶片
技术领域
本发明涉及防冰技术领域，具体为一种透明光热防冰涂层以及风机叶片。
背景技术
覆冰结霜现象给人们的生产和生活带来极大的不便，并且会造成巨大的经济损失，特别是对于一些需要在寒冷环境下运行的设备，例如风力发电的叶片，船体和飞机的涡轮机叶片，一旦正在运行的设备表面有冰层粘附就会导致这些设备自重急剧增加、运行时的重心偏移、周围的流场改变，极大的影响了设备的性能，甚至可能导致设备损坏而引发严重的后果。
为了解决设备的结冰或结霜问题，现有技术中提出了许多的电加热除冰结构，但是持续地电加热除冰耗能巨大，且需要设计复杂的供能系统。因此，使用光热除冰引起越来越广泛的关注。然而，在一些技术领域存在着光的透过性能与光热除冰性能之间的矛盾。
现有技术中，一些方案中可以利用产热性能较佳的红外波段的太阳光来进行光热除冰，而将可见光波段的太阳光透过，来兼顾一些使用场景中的光学性能。
目前，缺少能够将光热除冰和电热除冰有机结合使用的技术方案。并且对于一些受到太阳直射的表面，电加热的除冰结构容易因为吸收太阳光线升温而影响内部电路，造成加热电路寿命降低或损坏，长时间的紫外线照射以及高温影响还有可能造成涂层下的设备表面受到损坏。
发明内容
针对以上问题，本发明提供了一种透明光热防冰涂层以及具有该防冰涂层的风机叶片，该防冰涂层能够利用太阳光进行光热除冰，同时还能够保持较高的透明性。
该防冰涂层包括：结构层，至少具有涂层赋形材料；防冰层，形成于结构层上方，至少具有一种或多种透明的光热聚合物材料，结构层和/或防冰层表面形成光栅结构。
根据该技术方案，首先，防冰层具有透明光热聚合物材料，能够吸收太阳光(尤其是太阳光的红外波段的光线)并将太阳光转化为热能，实现除冰的效果，结构层中的赋形剂能够为防冰涂层提供足够的粘附力以及强度，从而能够在设备表面稳定地利用太阳能进行除冰；
其次，相较于深色的防冰涂层，透明的防冰材料能够避免吸收过多的太阳能导致的热量积攒，并且通过防冰层在上层吸收太阳光线、结构层在下层进行隔热的配合，从而能够避免太阳光线以及高温对设备的损伤；
最后，在结构层或防冰层表面刻印光栅结构，光栅结构能够使得入射的太阳光发生衍射，增加光路长度，从而提升了防冰层对光线的吸收，增加防冰层的光热转换效率。
作为本发明优选的技术方案，结构层和防冰层表面形成光栅结构。
根据该技术方案，由于结构层与防冰层均为透明表层，所以当太阳光线射入时，结构层和防冰层表面的双光栅组合形成莫尔干涉结构(或莫尔条纹)，与单一光栅结构相比，莫尔干涉结构提供了更多的衍射通道，更长的光路长度，进一步提升了防冰层对太阳光线的吸收，特别地，还可以通过改变结构层和防冰层上的光栅之间的旋转角度来调整防冰层对光的捕获率，适应不同的光线环境。
作为本发明优选的技术方案，结构层表面的光栅结构和防冰层表面的光栅结构之间所成的锐角的角度范围为10-50°。
根据该技术方案，发明人研究发现，通过莫尔干涉结构的短波入射光(波长<400nm)在该锐角的角度在10°-90°范围内时容易发生衍射，而长波入射光(波长>800nm)在该锐角的角度小于50°时才会发生衍射。因此，将该锐角的角度设置在10°～50°的莫尔干涉结构可以很好地接收400～800nm的宽入射光。
作为本发明优选的技术方案，光栅结构是利用涂层赋形材料对DVD光盘模块上的光栅结构刻印形成的。
根据该技术方案，相较于现有的光刻技术，选取DVD光盘作为刻印成本更低，且简单易得，并且，DVD光盘上的光栅周期为750nm，光栅深度在160nm左右，尺寸较小，从而能够在更薄的涂层上实现刻印。
作为本发明优选的技术方案，光热聚合物材料为聚苯胺、聚吡咯、聚多巴胺、半导体聚合物中的一种或多种复合材料。
根据该技术方案，聚苯胺、聚吡咯、聚多巴胺、半导体聚合物易制备，纯度较高且组成单一，光学稳定性好，能够提供更加稳定可靠的光热转换效果。
作为本发明优选的技术方案，光热聚合物材料为聚苯胺，防冰层包括聚苯胺和聚乙烯醇的复合材料。
根据该技术方案，聚苯胺与聚乙烯醇复合过程中会形成稳定的半互穿网络结构，使得聚苯胺和聚乙烯醇的复合材料相较于其单体具有更高的电导率，从而本发明的防冰涂层也可以兼顾导电防雷效果，以及电热除冰效果。
作为本发明优选的技术方案，聚苯胺和聚乙烯醇的复合材料中聚苯胺的质量分数为40％。
根据该技术方案，当聚苯胺的质量分数为40％时，聚苯胺和聚乙烯醇的复合材料的导电率最高，从而能够具有更好的导电防雷、电热除冰效果。
本发明的第二方面还提供了一种风机叶片，该风机叶片设置有上述任一个或多个组合的技术方案中的防冰涂层。
附图说明
图1是本发明实施方式提供的透明防冰涂层的结构示意图；
图2是转印所使用的DVD光盘上的光栅结构的深度的线条图；
图3是本发明实施方式制备的防冰涂层的SEM图；
图4是本发明实施方式制备的防冰涂层在500nm处观察到的衍射光束图像；
图5是本发明实施方式中样品5-9在不同波长的光线下衍射情况的线条图；
图6是本发明实施方式中样品1-4表面上的冰块滑动角与温度的关系的折线图；
图7是本发明实施方式中不同样品在相同温度环境下的结霜延迟时间的柱形图；
图8是本发明实施方式中不同样品在导电率的折线图。
附图标记说明：
100-防冰涂层；
1-结构层；
2-防冰层；
3-光栅结构。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1是本实施方式提供的透明防冰涂层的结构示意图。如图1所示，该防冰涂层100由结构层1、防冰层2组装形成。图1举例说明了防冰涂层100具有一个结构层1与一个防冰层2的情况，但本发明并不限于此，多个结构层1与防冰层2交错进行组装形成的防冰涂层100也同样适用于本发明。
其中，结构层1至少具有涂层赋形材料，用于将防冰层2粘附于设备表面，所以至少有一个结构层1与设备表面贴合设置。涂层赋形材料可以为任意的具有隔热效果的赋形材料，在此不限。
防冰层2形成于结构层1上方，至少具有一种或多种透明的光热聚合物材料，光热聚合材料能够用于吸收太阳能，并将吸收的太阳能转化为热能，从而避免设备表面受到紫外线以及高温的影响。进一步地，该光热聚合物材料为聚苯胺、聚吡咯、聚多巴胺、半导体聚合物中的一种或多种复合材料。光热聚合物材料更易制备，纯度较高且组成单一，光学稳定性好，能够提供更加稳定可靠的光热转换效果。
特别地，在本实施方式提供的防冰涂层100中，结构层1或防冰层2表面形成有光栅结构3。透明的防冰层2与结构层1能够允许太阳光线入射，而其表面的光栅结构3能够使得入射的太阳光发生衍射，增加光路长度，从而提升了防冰层2对光线的吸收，增加防冰层2的光热转换效率，进一步提升了防冰涂层100的光热除冰效率。
其中，优选地，结构层1和防冰层2表面均形成有光栅结构3，防冰层2顶部和底部的光栅结构3呈规定角度倾斜设置。当太阳光线射入时，结构层1和防冰层2表面的双光栅组合形成莫尔干涉结构，与单一光栅结构3相比，莫尔干涉结构提供了更多的衍射通道，更长的光路长度，进一步提升了防冰层2对太阳光线的吸收，特别地，还可以通过改变结构层1和防冰层2上的光栅结构3之间的角度来调整防冰层2对光的捕获率，适应不同的光线环境。
举例而言，对于光线较强且环境温度较高的环境下，可以通过调整结构层1和防冰层2上的光栅结构3之间的角度，降低防冰涂层100对太阳光的捕获率，避免过高的温度对设备表面造成影响；对于光线较弱且环境温度较低的环境下，可以通过调整结构层1和防冰层2上的光栅结构3之间的角度，增加防冰涂层100对太阳光的捕获率，提高防冰涂层100的光热转换效率，增加防冰涂层100在阳光下的除冰效果。
进一步优选地，结构层1表面的光栅结构3和防冰层2表面的光栅结构3之间所成的锐角的角度范围为10-50°。发明人研究发现，通过莫尔干涉结构的短波入射光(波长<400nm)在该锐角的角度在10°-90°范围内时容易发生衍射，而长波入射光(波长>800nm)在该锐角的角度小于50°时才会发生衍射。因此，将该锐角的角度设置为10°～50°的莫尔干涉结构可以很好地接收400～800nm的宽入射光，从而对太阳光能够更充分的利用。
其中，优选地，光栅结构3是利用涂层赋形材料对DVD光盘模块刻印形成的，具体可以将DVD光盘模块的表面结构转印至涂层赋形材料表面获得。相较于现有的聚焦离子束研磨或电子束光刻制作的Si模板技术，直接采用DVD光盘作为刻印成母版更低，且简单易得，另外，如图2所示，发明人对DVD光盘上光栅结构3进行了测量，得出了DVD光盘的光栅周期为750nm，光栅深度为160nm，光栅周期和光栅深度较小，从而能够适用于在更薄的涂层上实现刻印。
其中，优选地，涂层赋形材料可以为聚二甲基硅氧烷与聚碳酸酯的复合材料。聚二甲基硅氧烷与聚碳酸酯复合形成的聚碳酸脂-聚二甲基硅氧烷复合材料(PC-PDMS材料)，具有较好的粘附性，能够将防冰层2稳定地粘附于设备表面，并且PC-PDMS材料还具有易成型、强度高、耐磨损的优势，能够提升防冰涂层100的强度，也更便于塑形。特别地，PC-PDMS材料还具有优异的隔热与阻燃性能，能够提高防冰涂层100在光热转换过程中的安全性。
其中，优选地，光热聚合物材料为聚苯胺，防冰层2包括聚苯胺和聚乙烯醇的复合材料。聚苯胺与聚乙烯醇复合过程中会形成稳定的半互穿网络结构，使得聚苯胺和聚乙烯醇的复合材料相较于其单体具有更高的电导率，从而本发明的防冰涂层100也可以兼顾导电防雷效果，以及电热除冰效果。
进一步优选地，PC-PDMS材料中聚苯胺的质量分数为40％。当聚苯胺的质量分数为40％时，聚苯胺和聚乙烯醇的复合材料的导电率最高，从而能够具有更好的导电防雷、电热除冰效果。
举例而言，在一些优选的实施方式中，可以将本实施方式的防冰涂层100的防冰层2接地，从而能够在发生雷电打击时，通过防冰层2的导电性能帮助雷电电流快速疏导，降低雷电对设备表面的损伤。在另一些优选的实施方式中，还可以将本实施方式的防冰涂层100的防冰层2与电源连通，从而能够在有太阳的天气采用光热除冰，在没有太阳的天气中采用电热除冰，无需增设其它的表面机构，大幅降低了单一电热除冰的能量损耗。
本发明的第二方面还提供了一种风机叶片，该风机叶片设置有上述任一个或多个组合的技术方案中的防冰涂层100。
在本实施方式中，首先，本实施方式提供的防冰涂层100具有优良的吸热、隔热以及导电性能，从而能够兼顾光热除冰、电热除冰以及导电防雷的功能。
其次，相较于深色的防冰涂层100，透明的防冰材料能够避免吸收过多的太阳能导致的热量积攒，并且通过防冰层2在上层吸收太阳光线、结构层1在下层进行隔热的配合，从而能够避免太阳光线以及高温对设备的损伤。
最后，结构层1和防冰层2表面均形成有光栅结构3。当太阳光线射入时，结构层1和防冰层2表面的双光栅组合形成莫尔干涉结构，与单一光栅结构3相比，莫尔干涉结构提供了更多的衍射通道，更长的光路长度，提升了防冰层2对太阳光线的吸收，优化了防冰涂层100对太阳光线的转换效率，特别地，还可以通过改变结构层1和防冰层2上的光栅之间的角度来调整防冰层2对光的捕获率，以适应不同的光线环境。
下面以实验进一步证明本实施方式提供的防冰涂层的性能。
1.材料制备
1.1制备结构层
制备涂层赋形材料：称取0.536g聚二甲基硅氧烷(PDMS)、25g碳酸二苯酯(DPC)和1.5g干燥后的MgCl2置于250mL三口烧瓶中，搅拌进行熔融酯交换反应，通入氩气再抽空排出三口瓶中的空气。然后在氩气的保护下，油浴加热至165℃，反应30min。降温至80℃后，生成聚二甲基硅氧烷-碳酸二苯酯的低聚物。再将低聚物与少量的DPC和25g双酚A(BPA)进行缩聚反应，升温至165℃，180℃，各保温1h。再快速升温至255℃，抽真空反应15min后，带产物冷却后加入200mL二氯甲烷，搅拌至溶解，用无水乙醇进行洗涤后得到PC-PDMS溶液。
用DVD光盘制备光栅图案的PC-PDMS：将DVD光盘用乙醇浸泡，并用乙醇超声清洗15min，之后再用乙醇冲洗。将冲洗后的DVD母版在75℃的烘干箱中烘干1小时，干燥后，将PC-PDMS溶液浇铸在DVD母版的圆盘上，然后在真空烘干箱中以70℃进行脱气和固化4小时。然后，将带有光栅图案的PC-PDMS层从DVD盘上剥离，重复上述步骤2次，得到具有光栅结构的结构层以及防冰层的光栅结构的母版。
1.2制备防冰层
将聚乙烯醇溶于85℃水中，搅拌1h，将搅拌好的溶液与100mL、1.0mol/L的盐酸溶液倒入，继续搅拌，再加入一定量的苯胺，搅拌5min后缓慢滴入50mL大的过硫酸铵水溶液，持续搅拌并水浴(25℃)反应6h，得到聚苯胺-聚乙烯醇复合制膜液。
将制备的结构层浸入聚苯胺-聚乙烯醇复合制膜液(15min)中，并用大量的纯水冲洗。重复浸渍步骤，直到再结构层上得到所需的厚度的聚苯胺-聚乙烯醇膜。再将所制备的PC-PDMS母版附着在聚苯胺-聚乙烯醇膜上。在100℃下烘干5min后，取下PC-PDMS母版，在结构层上形成具有光栅结构的防冰层，即本实施方式中的防冰涂层。
其中，分别按1：4、2：3、3：2以及4：1的质量比称量聚乙烯醇和苯胺材料，基于上述步骤制备得到样品1、样品2、样品3以及样品4；
在防冰层制备时，在样品2的基础上，将防冰层的光栅结构与结构层的光栅结构之间的锐角形成为10°、30°、50°、70°、90°，作为样品5、样品6、样品7、样品8和样品9。
2.材料表征
2.1图3是本实施方式制备的防冰涂层的SEM图。图4是本实施方式制备的防冰涂层在500nm处观察到的衍射光束图像。如图3所示，本实施方式制备的防冰涂层表面形成由光栅结构。如图4所示，本实施方式提供的防冰涂层具有6个衍射光点，表明了本实施方式提供的防冰涂层具有莫尔干涉结构。
2.2吸光性能
图5是样品5-9在不同波长的光线下衍射情况的线条图。如图5所示，对于短波入射光(波长<400nm)，样品5-9(锐角在10°-90°范围内)均会发生衍射，而对于长波入射光(波长>800nm)，样品1-3(锐角在50°以下)才会发生衍射。表明了结构层的光栅结构与防冰层的光栅结构之间的锐角在10°～50°时，莫尔干涉结构可以很好地接收400～800nm的宽入射光。
2.3冰粘附性能
将样品1-4粘附于玻璃上，将裸露的玻璃作为对照样品。将样品1-4、对照样品放置具有模拟光源的实验装置内，模拟光源的光照强度为1个太阳照度，控制实验装置内的温度降低至-10℃、-20℃、-30℃、-40℃、-50℃、-60℃。具体地，温度控制容器中设置一个可升降的平台放置，平台下方设置液氮降温，通过调节升降平台与液氮装置之间的距离控制温度。将升降平台调节至合适高度后，待平台上的与周围温度一致，将同样大小的冰块(10mm*10mm*10mm)放置在上，并保持10min，然后控制升降平台缓慢地向一侧倾斜，记录冰块滑动时的平台倾斜的角度为滑动角。
图6是不同样品上的冰块滑动角与温度的关系的折线图。如图6所示，样品1-4和对照样品在-20℃以上的温度中滑动角基本不变，对照样品在-10℃时冰块便不再滑动，所以未在图表中示出，而样品1-4在-30℃以上的温度中滑动角依旧不变，证明本实施方式提供的防冰涂层具有更优地抗粘附性能。这是由于光热聚合物材料吸收了阳光，并持续转化为热量，使得防冰涂层与冰块接触的底面融化，因此薄层水界面和碎冰块作为润滑剂，能够大幅地减少冰粘附力。
当环境温度低于-30℃时，样品1-4的滑动角均开始增大，其中，样品2-3的增长速度略低于样品1，这是由于聚乙烯醇的掺杂量增加使得光热聚合物材料聚苯胺的质量分数降低，从而使得光热转化率降低。
2.3抗霜性能
将样品1-4和对照样品放入具有模拟光源的实验装置内，模拟光源的光照强度为1个太阳照度。温度设置为-10℃，然后，采用空气加湿器(相对湿度为99％，耗水量为0.04L/h)在温度控制容器内产生温和的水喷雾，然后每隔10min记录霜冻形成的照片，当表面变得不透明或结霜，记录结霜延迟时间。
图7是表示不同样品在相同温度环境下的结霜延迟时间的柱形图。如图7所示，对照样品随着温度的降低，其表面迅速结霜，而本实施方式中的防冰涂层由于能够在光照下持续地发热，相较于对照样品具有更好的抗霜性能。其中，样品1的防霜性能高于样品2-4。
2.4导电性能
测量样品1-4的导电率，结果如图8所示。由图8可以看出，电导率随聚乙烯醇的质量分数的增加先增大后减少，这是由于加入聚乙烯醇后，聚苯胺于聚乙烯醇基体形成了稳定的半互穿网络结构，使得电导率大大提高。特别是，对于样品2(聚乙烯醇的质量分数40％时)，聚苯胺分子在半互穿网络结构中分散均匀，从而按这个比例制备得出的样品2的电导率优异。
在本发明的其他实施方式中，本发明还提供了一种具有上述防冰涂层的风机叶片。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种透明光热防冰涂层，其特征在于，包括：
结构层，至少具有涂层赋形材料；
防冰层，形成于所述结构层上方，至少具有一种或多种透明的光热聚合物材料，
所述结构层和所述防冰层表面形成光栅结构，所述结构层表面的光栅结构和所述防冰层表面的光栅结构之间所成的锐角的角度范围为10-50°，
所述光热聚合物材料为聚苯胺、聚吡咯、聚多巴胺中的一种或多种复合材料。
2.如权利要求1所述的透明光热防冰涂层，其特征在于，所述光栅结构是利用涂层赋形材料对DVD光盘模块上的光栅结构刻印形成的。
3.如权利要求1所述的透明光热防冰涂层，其特征在于，所述涂层赋形材料为聚二甲基硅氧烷与聚碳酸酯的复合材料。
4.如权利要求1所述的透明光热防冰涂层，其特征在于，所述光热聚合物材料为聚苯胺，所述防冰层包括聚苯胺和聚乙烯醇的复合材料。
5.如权利要求4所述的透明光热防冰涂层，其特征在于，聚苯胺和聚乙烯醇的复合材料中聚苯胺的质量分数为40％。
6.一种风机叶片，其特征在于，所述风机叶片设置有如权利要求1-5中任一项所述的透明光热防冰涂层。
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