CN115477885A - 多功能防冰涂层以及风机叶片 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多功能防冰涂层以及具有该防冰涂层的风机叶片，该涂层同时具有良好的疏水性、导电性以及吸光性，既能在前期通过涂层的超疏水性抑制结冰，又能在结冰后通过电热、光热进行主动除冰。本发明的一方面提供了一种多功能防冰涂层，包括由多功能组分与疏水组分复合形成的表面层，多功能组分包含一维碳纳米材料和二维碳纳米材料；疏水组分包含具有疏水基团的聚合物材料，表面层形成为多层自相似的超疏水结构。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技术方案中的防冰涂层。

Description

多功能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，具体为一种多功能的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正常运转，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主动除冰策略，包括加热除冰、机械除冰、超声波除冰等。其中，加热除冰分为电热除冰和光热除冰，电热除冰虽然能够持续地加热除冰，但是耗能大，光热转换机构则受环境影响较大，除冰效果不够稳定。

对此，现有技术中还提出了具有超疏水性能的表面涂层材料，超疏水涂层的能够通过疏水的化学组成以及物理结构实现疏水除冰，其中，特殊的超疏水结构(例如微柱结构)能够提高涂层与水的静态接触角，实现超疏水性能，超疏水涂层相较于表面加热结构具有成本低、耗能小、实现难度低等特点。

然而，超疏水涂层一旦发生结冰，超疏水结构并不会降低冰的粘附力，而是由于微柱与冰之间的锁紧结构的形成而提高了冰的粘附力。此外，超疏水涂层结冰后往往需要采用机械除冰的方式进行主动除冰，而机械除冰过程也会破坏超疏水结构，使其抗冰性能急剧下降。

因此，本领域亟需一种更加稳定有效的防冰策略。

发明内容

针对以上问题，本发明提供了一种多功能的防冰涂层以及具有该防冰涂层的风机叶片，该涂层同时具有良好的疏水性、导电性以及吸光性，既能在前期通过涂层的超疏水性抑制结冰，又能在结冰后通过电热、光热进行主动除冰。

本发明的一方面提供了一种多功能防冰涂层，包括由多功能组分与疏水组分复合形成的表面层，多功能组分包含一维碳纳米材料和二维碳纳米材料；疏水组分包含具有疏水基团的聚合物材料，表面层形成为多层自相似的超疏水结构。

根据该技术方案，首先，疏水组分中的聚合物材料具有疏水基团，能够使得表面层的化学组成上具有疏水性，多功能组分采用的碳纳米材料则具有较好的导电性与吸光性，两者复合形成的表面层不仅能够通过材料的疏水性进行被动防冰，还能够通过电热、光热进行主动除冰，从而可以避免机械除冰对疏水涂层的磨损和破坏。

其次，多功能组分由一维碳纳米材料与二维碳纳米材料复合形成，相较于单一的碳纳米结构，具有强度更高、延展性更好、高温稳定性更强的优势。具体而言，一维碳纳米材料能够填补碳纤维与碳纤维之间的缝隙，增强复合材料整体的强度，并且一维碳纳米材料还具有自聚集的分形特性，能够形成多层的自相似的微纳米结构，能够有效的增加水的接触角，达到超疏水的效果，而疏水组分能够进一步粘合包覆一维碳纳米材料和二维碳纳米材料，从而表面层能够在化学组成和物理结构上共同实现了更优的防冰疏水效果。

最后，表面层多层的相似的超疏水结构能够使得表面层即使磨损也依旧通过牺牲外表面来暴露新的超疏水结构，从而能够提供更加稳定的防冰效果，不会因为表面磨损或损坏而丧失防冰性能。

作为优选的技术方案，一维碳纳米材料至少包括碳化硅纳米线、碳纳米管、碳纳米纤维、碳化锆纳米线中的一种或两种以上。

根据该技术方案，一维碳纳米材料的加入能够大幅提升多功能组分的强度以及热稳定性，特别地，碳纳米管以及碳纳米纤维具有更好的分形特性，能够形成更加整齐一致的分层超疏水结构，而碳化硅纳米线以及碳化锆纳米线能够进一步增强多功能组分的热稳定性和抗烧蚀能力。

作为优选的技术方案，一维碳纳米材料为单壁碳纳米管。

根据该技术方案，单壁碳纳米管的重量轻、且具有高的导电性和光热转换率，能够适用于各种除冰环境并使得防冰涂层具有更低的自重，另外，单壁碳纳米管还具有更加优良的自聚集的分形特性和自相似特性，能够自发的聚集并形成多层次的自相似结构。

作为优选的技术方案，二维碳纳米材料为片状石墨烯。

根据该技术方案，片状石墨烯和单壁碳纳米管复合形成的碳-碳复合材料能够自发地形成具有纳米微柱结构的超疏水表面，无需额外的赋形操作。并且石墨烯也具有优良的吸光性和导电性，能够进一步地提升防冰涂层的光热除冰以及电热除冰效果。另外，片状石墨烯与单壁碳纳米管之间还存在“π-π”相互作用，从而能够通过分子间的作用使得多功能组分自发地进行分散排列。

作为优选的技术方案，聚合物材料还含有阳离子基团，阳离子基团为胺基阳离子、碱金属阳离子中的一种或者多种；疏水基团为氟碳根离子、全氟磺酸根离子、全氟磷酸根离子中的一种或者多种。

根据该技术方案，阳离子基团、单壁碳纳米管和片状石墨烯通过“阳离子-π”和/或“π-π”相互作用，从而具有阳离子基团的聚合物材料能够作为分散剂和表面活性剂使得各组分在系统中分散均匀，制得的表面层材质更加均一，防冰效果也更加稳定。

作为优选的技术方案，聚合物材料为氟碳接枝阳离子淀粉。

根据该技术方案，首先，淀粉主体具有可降解以及环境友好的优势，并且主体材料更加廉价易得，而阳离子淀粉中的阳离子基团能够保证聚合物材料与多功能组分的相互作用，氟碳接枝则能进一步提升表面层在化学组成上的疏水性。

作为优选的技术方案，表面层为多功能组分与疏水组分混合分散后喷涂得到的。

根据该技术方案，通过聚合物材料的延伸性以及各组分之间的“阳离子-π”和/或“π-π”相互作用，当混合系统喷出时，各个组分之间自发地排列嵌套形成多层自相似的超疏水结构，无需复杂的涂抹、浸渍等制备操作，更加简单快捷。

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一个多功能防冰涂层的微观结构示意图；

图2是本发明实施方式制备的防冰涂层-1的SEM图；

图3是本发明实施方式制备的防冰涂层-1经摩擦后的SEM图。

图4为太阳照射时间与本发明实施方式提供的防冰涂层表面温度的关系图；

图5为太阳照射时间与冰块融化时间的关系图。

附图标记说明：100-防冰涂层；1-疏水组分；2-多功能组分；21-一维碳纳米材料；22-二维碳纳米材料。

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。

术语说明

需要说明的是，在发明的描述中，术语“自相似”指的是本发明的防冰涂层的表面具有分形特征，即防冰涂层的表面上具有细小的相似的凸起的微柱纳米结构，并且微柱纳米结构的上面还覆盖有更加细小的形状相似的微针结构；术语“多层”指的是本发明的防冰涂层在厚度方向上具有分层的“自相似”结构，即每一层被磨掉之后就会暴露新的一层微柱纳米结构；术语“超疏水结构”指的是防冰涂层表面的微柱纳米结构，具体而言，微柱纳米结构阵列以与荷叶表面相似的结构与尺寸形成，能够增加水的接触角，达到超疏水效果。

图1是本实施方式提供的一个多功能防冰涂层的微观结构示意图。如图1所示，本实施方式中提供的多功能防冰涂层100包括：多功能组分2与疏水组分1，多功能组分2聚集形成多层自相似的超疏水结构(即图1中的微柱纳米结构)。

其中，多功能组分2包含一维碳纳米材料21和二维碳纳米材料22，碳纳米材料则具有较好的导电性能与吸光性，能够便于直接通过电热或光热进行主动除冰。另外，一维碳纳米材料21与二维碳纳米材料22之间互相穿插嵌套，相较于单一维度的碳纳米材料，一维碳纳米材料21与二维碳纳米材料22的复合材料强度更高、延展性更好、高温稳定性更强，一维碳纳米材料21不仅能够填补二维碳纳米材料22的碳纤维与碳纤维之间的缝隙，并且一维碳纳米材料21还具有分形特性，能够促进多功能组分2聚集形成多层的自相似的超疏水结构，有效的地增加了水的接触角，达到超疏水的效果。并且，表面层多层的相似的超疏水结构能够使得防冰涂层100的表面层即使磨损也依旧通过牺牲外表面来暴露新的超疏水结构，从而能够提供更加稳定的防冰效果，不会因为表面磨损或损坏而丧失防冰性能。

其中，优选地，一维碳纳米材料21至少包括碳化硅纳米线、碳纳米管、碳纳米纤维、碳化锆纳米线中的一种或两种以上。碳纳米管以及碳纳米纤维具有更好的分形特性，能够形成更加整齐一致的分层超疏水结构，而碳化硅纳米线以及碳化锆纳米线能够进一步增强多功能组分2的热稳定性和抗烧蚀能力。

进一步优选地，一维碳纳米材料21为单壁碳纳米管，二维碳纳米材料22为片状石墨烯。单壁碳纳米管的重量轻、具有高的导电性和光热转换率，能够适用于各种除冰环境并使得防冰涂层100具有低的自重，另外，单壁碳纳米管还具有更加优良的自聚集的分形特性和自相似特性，能够自发的聚集并形成多层次的自相似结构。而片状石墨烯和单壁碳纳米管复合形成的碳-碳复合材料能够形成具有纳米微柱结构的超疏水表面，无需额外的赋形操作。并且石墨烯具有优良的吸光性和导电性，能够进一步地提升防冰涂层100的光热除冰以及电热除冰效果。另外，片状石墨烯与单壁碳纳米管之间还存在“π-π”相互作用，从而能够通过分子间的作用使得多功能组分2结合地更紧密均匀。

疏水组分1包含具有疏水基团的聚合物材料，疏水基团能够使得表面层的化学组成上具有疏水性，进一步地，如图1所示，疏水组分1还能够粘合包覆一维碳纳米材料21和二维碳纳米材料22，从而表面层能够在化学组成上也具有较优的防冰疏水效果。

其中，优选地，聚合物材料同时具有疏水基团和阳离子基团，阳离子基团为胺基阳离子、碱金属阳离子中的一种或者多种；疏水基团为氟离子、全氟磺酸根离子、全氟磷酸根离子中的一种或者多种。阳离子基团、单壁碳纳米管和片状石墨烯能够通过“阳离子-π”和/或“π-π”相互作用，从而具有阳离子基团的聚合物材料可以作为分散剂和表面活性剂使得各组分在系统中分散均匀，从而制得的表面层材质更加均一，防冰效果也更加稳定。

进一步优选地，聚合物材料为氟碳接枝阳离子淀粉。淀粉主体具有可降解以及环境友好的优势，并且淀粉作为主体材料也更加廉价易得，有利于推进工业上的大量制备，改性的阳离子淀粉中的阳离子基团能够保证聚合物材料与多功能组分2的相互作用，氟碳接枝则能进一步提升表面层在化学组成上的疏水性。

其中，优选地，表面层为多功能组分2与疏水组分1混合分散后喷涂得到的。通过聚合物材料的延伸性以及各组分之间的“阳离子-π”和/或“π-π”相互作用，当混合系统由喷头喷出时，各个组分之间自发地排列嵌套形成多层自相似的超疏水结构，无需复杂的涂抹、浸渍等制备操作，更加简单快捷。

在本实施方式中，首先，疏水组分1中的聚合物材料具有疏水基团，能够使得表面层的化学组成上具有疏水性，多功能组分2采用的碳纳米材料则具有较好的导电性与吸光性，两者复合形成的表面层不仅能够通过材料的疏水性进行被动防冰，还能够通过电热、光热进行主动除冰，从而可以避免机械除冰对疏水涂层的磨损和破坏。

其次，多功能组分2由一维碳纳米材料21与二维碳纳米材料22复合形成，相较于单一的碳纳米结构，具有强度更高、延展性更好、高温稳定性更强的优势。具体而言，一维碳纳米材料21能够填补二维碳纳米材料22的碳纤维与碳纤维之间的缝隙，增强复合材料整体的强度，并且一维碳纳米材料21还具有自聚集的分形特性，能够形成多层的自相似的微纳米结构，能够有效的增加水的接触角，达到超疏水的效果，而疏水组分1能够进一步粘合包覆一维碳纳米材料21和二维碳纳米材料22，从而表面层能够在化学组成和物理结构上共同实现了更优的防冰疏水效果。

最后，表面层多层的相似的超疏水结构能够使得表面层即使磨损也依旧通过牺牲外表面来暴露新的超疏水结构，从而能够提供更加稳定的防冰效果，不会因为表面磨损或损坏而丧失防冰性能。

下面以实验进一步证明本实施方式提供的防冰涂层的防冰性能。

1.材料制备

1.1制备疏水组分

将200g木薯淀粉溶解于二甲基亚砜中，冷却至40℃，再加入60g乙二胺，在80℃下水浴反应1h，用去离子水洗净干燥后即得到胺化交联淀粉。

将胺化交联淀粉溶于10L的经氮气驱氧的蒸馏水中，在90℃下搅拌糊化30min后，用经氮气驱氧的蒸馏水补充挥发的水分，使之达到未糊化前的质量，并冷却至25℃，再加入由全氟辛基乙氧基醚醇20g和全氟辛基磺酸钠20g组成混合物后，搅拌5min，再加入硫酸高铈50g，然后升温至40℃，再加入十二氟丙烯酸辛酯200g形成自由基共聚反应，保持温度40℃并持续搅拌5h，停止搅拌，即得到氟碳接枝阳离子淀粉材料前驱体。

1.2制备防冰涂层

按照3：1：1的质量比例混合氟碳接枝阳离子淀粉材料前驱体与单臂碳纳米管以及片状石墨烯，搅拌1h后，向玻璃表面喷涂即得到本实施方式中的防冰涂层-1(即下文中的样品1)。

按照2：1：1的质量比例混合氟碳接枝阳离子淀粉材料前驱体与单臂碳纳米管以及片状石墨烯，搅拌1h后，向玻璃表面喷涂即得到本实施方式中的防冰涂层-2(即下文中的样品2)。

按照2：2：2的质量比例混合氟碳接枝阳离子淀粉材料前驱体与单臂碳纳米管以及片状石墨烯，搅拌1h后，向玻璃表面喷涂即得到本实施方式中的防冰涂层-3(即下文中的样品3)。

将超疏水的塑胶薄膜直接粘在玻璃表面得到防冰涂层-对照(即下文中的对照样品)。

2.材料表征

2.1图2是本实施方式制备的样品1的SEM图。如图3所示，本实施方式制备的防冰涂层表面形成有凸起的微纳米结构。

将样品1与载重50g的粗砂纸(S3000)摩擦20个循环，然后观察样品1摩擦后的表面微观形貌。图3是本实施方式制备的样品1经摩擦后的SEM图。如图3所示，样品1表面虽然具有损伤痕迹，但依旧具有超疏水特征。

2.2物理性质测量

在常温下测量本实施方式制备的防冰涂层的电阻率、燃点以及抗拉强度。实验结果如表1所示。

表1

由表1中的电阻率以及电导率数据，可以看出本实施方式提供的防冰涂层相较于普通的塑胶超疏水涂层具有更低的电阻，更好的导电效果，从而可以与电加热装置配合，迅速升温，提升防冰涂层的电热防冰效果。其中，样品3中的碳纳米材料掺杂量更高，相应的电阻率更低、电导率更高，在电热除冰过程中的耗电量更低，样品1和样品2的碳纳米材料掺杂量更低，相应的电阻率更高、电导率更低，在电热除冰过程中能够迅速发热，快速除冰。

由表1中的最高耐火温度数据可知，本实施方式提供的防冰涂层相较于普通的塑胶超疏水涂层具有非常高的耐火温度，能够适应更加恶劣的环境，不易变形损坏，特别地，多功能组分占比高的样品3相较于样品1和样品2具有更高的耐火温度。

由表1中的极限抗拉强度数据，本实施方式提供的防冰涂层相较于普通的塑胶超疏水涂层具有非常高的抗拉强度，能够更好的保护涂层下的装置表面，同样的，多功能组分占比高的样品3相较于样品2和样品3具有更高的抗拉强度。

2.3疏水性能

对样品1-3以及对照样品进行水滴黏附实验和液滴反弹实验，通过视频观测记录水滴在防冰涂层表面的形态以及黏附情况。

在水滴黏附实验中，样品1-3和对照样品的静水接触角和滚动角均能够保持在153°和5°左右，再用针去接触样品1-3以及对照样品表面的水滴，水滴容易被针带走，不粘附在涂层表面，这表明本实施方式制备的防冰涂层具有较好的超疏水性能。

在液滴反弹实验中，当5μL的液滴撞击涂层表面时，液滴先在表面扩散，然后快速反弹，表明样品1-3与对照样品均具有良好的超疏水性。而且，进一步采用大水流对涂层表面进行冲洗，样品1-3与对照样品的表面均能保持干燥，水滴在涂层表面自由滑动。实验证明本实施方式提供的防冰涂层具有良好的超疏水性，并具有良好的自清洁性能。

2.4除冰性能

将样品1-3以及对照样品上放置在温度控制装置中，控制温度为-10℃，打开光源，调整光源强度为1个太阳照度，每隔1min记录涂层表面的温度。图4为太阳照射时间与涂层表面温度的关系图。

如图4所示，在1个太阳照度下，样品3在5min内就能达到41℃、7min内就能够达到70℃、样品2在7分钟内能够达到58℃、样品1在7分钟内能够达到47℃，而对照样品在7分钟内仅能达到10℃，10分钟也仅能够升温至25℃，表明本实施方式中，多组分的掺杂有利于提升涂层的光热效率，在有阳光照射的情况下，本实施方式中的防冰涂层能够迅速吸收光线进行发热除冰。

将样品1-3以及对照样品上放置在温度控制装置中，控制温度为-10℃，在样品1-3以及对照样品上放置同样大小的冰(10mm*10mm*10mm)，打开光源，调整光源强度为1个太阳照度，记录样品1-3与对照样品上冰块完全融化的时间。图5为太阳照射时间与冰块融化时间的关系图。其中，由于1h内对照样品上的冰块始终并未融化完全，所以图中并未示出对照样品对应的融化时间。

如图5所示，样品1-3上的冰块能够在30min内完全融化，而对照样品上的冰块始终并未融化，证明本实施方式中的涂层具有更好的防冰效果。其中，样品2上放置的冰块融化的时间最短，这是由于样品2中疏水组分掺杂量相较于样品3更高，冰块并未在样品2表面黏附，并且样品2中的多功能组分掺杂量相较于样品1更高，光热效率也较高，涂层表面能够迅速升温。

2.5耐磨性能

将样品1-3和对照样品与载重50g的粗砂纸(S3000)摩擦20个循环，然后进一步地研究磨损试验前后样品1-3的水滴驱避性。

样品1-3的静水接触角和滚动角依旧保持在150°和5°左右。并且在液滴反弹实验中发现即使在磨损试验后，水滴仍可以从样品1-3表面滚落。这表明本实施方式提供的防冰涂层能够在磨损后依旧保持超疏水性能，能够稳定的疏水除冰。

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 (8)

1.一种多功能的防冰涂层，其特征在于，包括由多功能组分与疏水组分复合形成的表面层，

所述多功能组分包含一维碳纳米材料和二维碳纳米材料；

所述疏水组分包含具有疏水基团的聚合物材料，

所述表面层形成为多层自相似的超疏水结构。

2.如权利要求1所述的防冰涂层，其特征在于，所述一维碳纳米材料至少包括碳化硅纳米线、碳纳米管、碳纳米纤维、碳化锆纳米线中的一种或两种以上。

3.如权利要求2所述的防冰涂层，其特征在于，所述一维碳纳米材料为单壁碳纳米管。

4.如权利要求3所述的防冰涂层，其特征在于，所述二维碳纳米材料为片状石墨烯。

5.如权利要求1所述的防冰涂层，其特征在于，所述聚合物材料还含有阳离子基团，

所述阳离子基团为胺基阳离子、碱金属阳离子中的一种或者多种；

所述疏水基团为氟离子、全氟磺酸根离子、全氟磷酸根离子中的一种或者多种。

6.如权利要求5所述的防冰涂层，其特征在于，所述聚合物材料为氟碳接枝阳离子淀粉。

7.如权利要求1所述的防冰涂层，其特征在于，所述表面层为所述多功能组分与疏水组分混合分散后喷涂得到的。

8.一种风机叶片，其特征在于，所述风机叶片设置有如权利要求1-7中任一项所述的防冰涂层。

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