CN115960385A - 一种一体化多孔电热防除冰材料的制备及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种一体化多孔电热防除冰材料的制备方法及应用，包括以下步骤：步骤一、将多孔PDMS材料的端部浸润到导电银浆中，超声浸润，然后将其真空干燥，备用；步骤二、将步骤一中真空干燥后的材料的浸润有导电银浆的端面两侧放置铜箔，并在端面涂敷石墨烯导电液，形成导电涂层，然后烘干固化；步骤三、在导电涂层表面通过旋涂方式涂敷绝缘层，然后烘干固化，得到一体化多孔电热防除冰材料。本发明制备的一体化多孔电热防除冰材料一方面可以进行电热除冰，另一方面利用多孔材料导热性差的优势降低了能量传递，提高了能量的有效利用率。
Description
技术领域
本发明属于防除冰技术领域，具体涉及一种一体化多孔电热防除冰材料的制备及应用。
背景技术
冷表面上结冰会影响电力输电线、天线、飞行器、船舶和地面交通工具的正常运行并导致较高的维护费用。据我国民航组织统计数字显示由于天气原因引起的飞行事故在30％以上。此外，结冰结霜对制冷设备也有较大的影响，不仅降低系统的传热性增加能耗，严重时甚至会堵塞系统。因此研究有效的结冰除冰方法对于降低能耗，保障人民的生产生活安全具有十分重要的意义。
电加热防除冰是现有技术中应用最为广发的一种除冰方式，但是传统的电热系统采用金属丝，电热转化效率比较低。近年来低能耗电热防除冰方式受到广泛关注，专利CN105032731A公布了一种超疏水涂层防冰技术和电热防冰技术结合的新型节能防除冰涂层制备技术。专利CN112591105A公布了一种电加热和自润滑复合防除冰的功能结构。上述专利都是基于降低传统防除冰能耗大的短板，然而并没有考虑到能量损失带来的损耗。因此，本发明设计了一种一体化多孔电热材料，多孔材料上半部分通过组成设计具有较好的电热功能，下半部分由于孔结构导热性能差降低了能量不必要的损失。
发明内容
本发明针对电热防除冰方式中能量损失的弊端，制备了一种低能耗一体化多孔电热防除冰材料，该材料具有较好的电热性能，并能大幅度提高能量的有效利用率。本发明提供的一体化多孔电热材料多孔结构部分分为上下两层，下层为未处理的多孔结构，上层为多孔电热部分，浸润了导电液体；同时上层部分依次涂敷导电层、绝缘层。其中，导电层中包覆铜箔能够通过导线连接外部电源，绝缘层避免电热除冰过程中发生短路。
本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种一体化多孔电热防除冰材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、将多孔PDMS材料的端部浸润到导电银浆中，超声浸润，然后将其真空干燥，备用；
步骤二、将步骤一中真空干燥后的材料的浸润有导电银浆的端面两侧放置铜箔，并在端面涂敷石墨烯导电液，形成导电涂层，然后烘干固化；
步骤三、在导电涂层表面通过旋涂方式涂敷绝缘层，然后烘干固化，得到一体化多孔电热防除冰材料。
优选的是，所述多孔PDMS材料的制备方法为：将PDMS A组分、PDMS B组分以及模板加入容器中，混合均匀，然后将其至于真空干燥箱中抽真空除气泡，固化；将得到的固化体置于溶剂中浸泡，超声5～7天，直至模板除去，然后将其裁成块状，得到多孔PDMS材料。
优选的是，所述PDMS A组分和PDMS B组分分别为道康宁184-PDMS的基本组分和固化剂；所述PDMS A组分、PDMS B组分和模板的质量比为5-15：1：30-100。
优选的是，所述模板为白砂糖；混合均匀采用的方式为搅拌；固化的温度为80～120℃，时间为1～2h；将得到的固化体置于溶剂中浸泡采用的溶剂为去离子水；裁成块状的大小为30mm×30mm×3mm。
优选的是，所述步骤一中，将多孔PDMS材料的端部浸润到高度为2～5mm的导电银浆中；超声浸润的时间为5～15min，真空干燥的温度为80～120℃，时间为1～2小时。
优选的是，所述步骤二中，导电涂层的厚度为100～200μm，烘干固化的温度为80～120℃，时间为1～2小时；所述石墨烯导电液为石墨烯复合水性导电涂料和导电银浆的组合，其质量比为100：1～5。
优选的是，所述步骤三中，绝缘层的厚度为100～400μm，烘干固化的温度为80～120℃，时间为1～2小时，所述绝缘层为道康宁184-PDMS的基本组分和固化剂，其质量比为10:1。
本发明还提供一种测试如上所述的制备方法制备的一体化多孔电热防除冰材料的电热除冰的方法，包括：
将制冷平台放置在冰柜中，在制冷平台上放置一体化多孔电热防除冰材料，在一体化多孔电热防除冰材料的绝缘层上放置两端敞口的模具，在模具中加水，并启动制冷平台进行冷冻结冰，冷冻结冰形成冰柱后，在冰柱上套设绳索，在绳索的另一端连接砝码，关闭冰柜，给一体化多孔电热防除冰材料的铜箔进行通电，通过温度传感器记录一体化多孔电热防除冰材料的底部多孔PDMS材料的温度和顶部绝缘层的温度，同时记录冰柱脱落的时间。
优选的是，所述砝码的质量为90g，冰柱的直径为3.0mm，通电功率8W。
本发明还提供一种如上所述的制备方法制备的一体化多孔电热防除冰材料在防除冰领域中的应用。
本发明至少包括以下有益效果：本发明制备的一体化多孔电热防除冰材料一方面可以进行电热除冰，另一方面利用多孔材料导热性差的优势降低了能量传递，提高了能量的有效利用率。本发明所述一体化多孔电热防除冰材料具有良好的融冰效果，能量利用率较高。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明：
图1为本发明测试一体化多孔电热防除冰材料的电热除冰效果的测试结构图；
图2为实施例5制备的一体化多孔电热防除冰材料的光镜图；
图3为实施例5制备的一体化多孔电热防除冰材料的另一放大倍数的光镜图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
实施例1：
一种低能耗一体化多孔电热防除冰材料的制备方法，包括：
步骤一、多孔PDMS材料制备：首先将PDMS A组分、B组分以及白砂糖糖模板按一定比例加入容器中，搅拌混合均匀，然后将其至于真空干燥箱中抽真空除气泡，同时100℃固化1h；所述PDMS A组分和PDMS B组分分别为道康宁184-PDMS的基本组分和固化剂；所述PDMS A组分、PDMS B组分和白砂糖模板的质量分别为10g、1g和30g；
步骤二、将上述固化好的PDMS至于水溶液中浸泡，超声7天，直至模板除去，将其裁成30mm×30mm×6mm；
步骤三、多孔导电材料的制备：将步骤二中的多孔材料的一端部浸润到高度为3mm的导电银浆(产品品牌：Ausbond，型号3812)中，超声浸润10min，然后将其至于真空干燥箱中100℃干燥1h，备用；
步骤四、将步骤三中真空干燥后的材料的浸润有导电银浆的端面两侧放置铜箔，并在端面涂敷石墨烯导电液，形成导电涂层，控制导电层厚度为200μm，至于100℃烘箱中固化1h；所述石墨烯导电液由石墨烯复合水性导电涂料(购至苏州碳丰石墨烯科技有限公司)和导电银浆(产品品牌：Ausbond，型号3812)混合而成，其质量配比为100：5；
步骤五、将步骤四中导电涂层表面通过旋涂方式涂敷一层绝缘层(所述绝缘层为道康宁184-PDMS的基本组分和固化剂，其质量比为10:1)，控制绝缘层厚度为200μm，至于100℃烘箱中固化1h；
实施例2：
一种低能耗一体化多孔电热防除冰材料的制备方法，包括：
步骤一、多孔PDMS材料制备：首先将PDMS A组分、B组分以及白砂糖糖模板按一定比例加入容器中，搅拌混合均匀，然后将其至于真空干燥箱中抽真空除气泡，同时100℃固化1h；所述PDMS A组分和PDMS B组分分别为道康宁184-PDMS的基本组分和固化剂；所述PDMS A组分、PDMS B组分和白砂糖模板的质量分别为10g、1g和50g；
步骤二、将上述固化好的PDMS至于水溶液中浸泡，超声7天，直至模板除去，将其裁成30mm×30mm×6mm；
步骤三、多孔导电材料的制备：将步骤二中的多孔材料的一端部浸润到高度为3mm的导电银浆(产品品牌：Ausbond，型号3812)中，超声浸润10min，然后将其至于真空干燥箱中100℃干燥1h，备用；
步骤四、将步骤三中真空干燥后的材料的浸润有导电银浆的端面两侧放置铜箔，并在端面涂敷石墨烯导电液，形成导电涂层，控制导电层厚度为200μm，至于100℃烘箱中固化1h；所述石墨烯导电液由石墨烯复合水性导电涂料(购至苏州碳丰石墨烯科技有限公司)和导电银浆(产品品牌：Ausbond，型号3812)混合而成，其质量配比为100：5；
步骤五、将步骤四中导电涂层表面通过旋涂方式涂敷一层绝缘层(所述绝缘层为道康宁184-PDMS的基本组分和固化剂，其质量比为10:1)，控制绝缘层厚度为200μm，至于100℃烘箱中固化1h；
实施例3：
一种低能耗一体化多孔电热防除冰材料的制备方法，包括：
步骤一、多孔PDMS材料制备：首先将PDMS A组分、B组分以及白砂糖糖模板按一定比例加入容器中，搅拌混合均匀，然后将其至于真空干燥箱中抽真空除气泡，同时100℃固化1h；所述PDMS A组分和PDMS B组分分别为道康宁184-PDMS的基本组分和固化剂；所述PDMS A组分、PDMS B组分和白砂糖模板的质量分别为10g、1g和70g；
步骤二、将上述固化好的PDMS至于水溶液中浸泡，超声7天，直至模板除去，将其裁成30mm×30mm×6mm；
步骤三、多孔导电材料的制备：将步骤二中的多孔材料的一端部浸润到高度为3mm的导电银浆(产品品牌：Ausbond，型号3812)中，超声浸润10min，然后将其至于真空干燥箱中100℃干燥1h，备用；
步骤四、将步骤三中真空干燥后的材料的浸润有导电银浆的端面两侧放置铜箔，并在端面涂敷石墨烯导电液，形成导电涂层，控制导电层厚度为200μm，至于100℃烘箱中固化1h；所述石墨烯导电液由石墨烯复合水性导电涂料(购至苏州碳丰石墨烯科技有限公司)和导电银浆(产品品牌：Ausbond，型号3812)混合而成，其质量配比为100：5；
步骤五、将步骤四中导电涂层表面通过旋涂方式涂敷一层绝缘层(所述绝缘层为道康宁184-PDMS的基本组分和固化剂，其质量比为10:1)，控制绝缘层厚度为200μm，至于100℃烘箱中固化1h；
实施例4：
一种低能耗一体化多孔电热防除冰材料的制备方法，包括：
步骤一、多孔PDMS材料制备：首先将PDMS A组分、B组分以及白砂糖糖模板按一定比例加入容器中，搅拌混合均匀，然后将其至于真空干燥箱中抽真空除气泡，同时100℃固化1h；所述PDMS A组分和PDMS B组分分别为道康宁184-PDMS的基本组分和固化剂；所述PDMS A组分、PDMS B组分和白砂糖模板的质量分别为10g、1g和90g；
步骤二、将上述固化好的PDMS至于水溶液中浸泡，超声7天，直至模板除去，将其裁成30mm×30mm×6mm；
步骤三、多孔导电材料的制备：将步骤二中的多孔材料的一端部浸润到高度为3mm的导电银浆(产品品牌：Ausbond，型号3812)中，超声浸润10min，然后将其至于真空干燥箱中100℃干燥1h，备用；
步骤四、将步骤三中真空干燥后的材料的浸润有导电银浆的端面两侧放置铜箔，并在端面涂敷石墨烯导电液，形成导电涂层，控制导电层厚度为200μm，至于100℃烘箱中固化1h；所述石墨烯导电液由石墨烯复合水性导电涂料(购至苏州碳丰石墨烯科技有限公司)和导电银浆(产品品牌：Ausbond，型号3812)混合而成，其质量配比为100：5；
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实施例5：
一种低能耗一体化多孔电热防除冰材料的制备方法，包括：
步骤一、多孔PDMS材料制备：首先将PDMS A组分、B组分以及白砂糖糖模板按一定比例加入容器中，搅拌混合均匀，然后将其至于真空干燥箱中抽真空除气泡，同时100℃固化1h；所述PDMS A组分和PDMS B组分分别为道康宁184-PDMS的基本组分和固化剂；所述PDMS A组分、PDMS B组分和白砂糖模板的质量分别为10g、1g和100g；
步骤二、将上述固化好的PDMS至于水溶液中浸泡，超声7天，直至模板除去，将其裁成30mm×30mm×6mm；
步骤三、多孔导电材料的制备：将步骤二中的多孔材料的一端部浸润到高度为3mm的导电银浆(产品品牌：Ausbond，型号3812)中，超声浸润10min，然后将其至于真空干燥箱中100℃干燥1h，备用；
步骤四、将步骤三中真空干燥后的材料的浸润有导电银浆的端面两侧放置铜箔，并在端面涂敷石墨烯导电液，形成导电涂层，控制导电层厚度为200μm，至于100℃烘箱中固化1h；所述石墨烯导电液由石墨烯复合水性导电涂料(购至苏州碳丰石墨烯科技有限公司)和导电银浆(产品品牌：Ausbond，型号3812)混合而成，其质量配比为100：5；
步骤五、将步骤四中导电涂层表面通过旋涂方式涂敷一层绝缘层(所述绝缘层为道康宁184-PDMS的基本组分和固化剂，其质量比为10:1)，控制绝缘层厚度为200μm，至于100℃烘箱中固化1h。
本发明还提供一种测试如实施例1-5的制备方法制备的一体化多孔电热防除冰材料的电热除冰的方法，包括：
本发明通过加热过程中冰的脱落时间来评价防除冰效果，实验示意图如图1所示，为控制环境温度，将制冷平台1放置在冰柜中，在制冷平台上放置一体化多孔电热防除冰材料2，在一体化多孔电热防除冰材料的绝缘层上放置两端敞口的模具，在模具中加水，并启动制冷平台1进行冷冻结冰，冷冻结冰形成冰柱3后，在冰柱上套设绳索4，在绳索的另一端连接砝码5，关闭冰柜，给一体化多孔电热防除冰材料的铜箔6进行通电，通过温度传感器记录一体化多孔电热防除冰材料的底部多孔PDMS材料7的温度(即下表层温度)和顶部绝缘层8的温度(即上表层温度)，同时记录冰柱脱落的时间，其中砝码的质量为90g，冰柱的直径为3.0mm，通电功率8W；表1为不同孔隙材料上下表面的温度及冰脱落的时间；
表1
从表1可以看出，随着模板糖质量份数的增加，材料的孔隙率增加，上层浸润导电银浆孔结构的电热性越好，下层孔结构的隔热性越好，对应的冰的脱落时间逐渐降低。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (10)
1.一种一体化多孔电热防除冰材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、将多孔PDMS材料的端部浸润到导电银浆中，超声浸润，然后将其真空干燥，备用；
步骤二、将步骤一中真空干燥后的材料的浸润有导电银浆的端面两侧放置铜箔，并在端面涂敷石墨烯导电液，形成导电涂层，然后烘干固化；
步骤三、在导电涂层表面通过旋涂方式涂敷绝缘层，然后烘干固化，得到一体化多孔电热防除冰材料。
2.如权利要求1所述的一体化多孔电热防除冰材料的制备方法，其特征在于，所述多孔PDMS材料的制备方法为：将PDMS A组分、PDMS B组分以及模板加入容器中，混合均匀，然后将其至于真空干燥箱中抽真空除气泡，固化；将得到的固化体置于溶剂中浸泡，超声5～7天，直至模板除去，然后将其裁成块状，得到多孔PDMS材料。
3.如权利要求2所述的一体化多孔电热防除冰材料的制备方法，其特征在于，所述PDMSA组分和PDMS B组分分别为道康宁184-PDMS的基本组分和固化剂；所述PDMS A组分、PDMS B组分和模板的质量比为5-15：1：30-100。
4.如权利要求2所述的一体化多孔电热防除冰材料的制备方法，其特征在于，所述模板为白砂糖；混合均匀采用的方式为搅拌；固化的温度为80～120℃，时间为1～2h；将得到的固化体置于溶剂中浸泡采用的溶剂为去离子水；裁成块状的大小为30mm×30mm×3mm。
5.如权利要求1所述的一体化多孔电热防除冰材料的制备方法，其特征在于，所述步骤一中，将多孔PDMS材料的端部浸润到高度为2～5mm的导电银浆中；超声浸润的时间为5～15min，真空干燥的温度为80～120℃，时间为1～2小时。
6.如权利要求1所述的一体化多孔电热防除冰材料的制备方法，其特征在于，所述步骤二中，导电涂层的厚度为100～200μm，烘干固化的温度为80～120℃，时间为1～2小时；所述石墨烯导电液为石墨烯复合水性导电涂料和导电银浆的组合，其质量比为100：1～5。
7.如权利要求1所述的一体化多孔电热防除冰材料的制备方法，其特征在于，所述步骤三中，绝缘层的厚度为100～400μm，烘干固化的温度为80～120℃，时间为1～2小时，所述绝缘层为道康宁184-PDMS的基本组分和固化剂，其质量比为10:1。
8.一种测试如权利要求1～7任一项所述的制备方法制备的一体化多孔电热防除冰材料的电热除冰的方法，其特征在于，包括：
将制冷平台放置在冰柜中，在制冷平台上放置一体化多孔电热防除冰材料，在一体化多孔电热防除冰材料的绝缘层上放置两端敞口的圆柱形模具，在圆柱形模具中加水，并启动制冷平台进行冷冻结冰，冷冻结冰形成冰柱后，在冰柱上套设绳索，在绳索的另一端连接砝码，关闭冰柜，给一体化多孔电热防除冰材料的铜箔进行通电，通过温度传感器记录一体化多孔电热防除冰材料的底部多孔PDMS材料的温度和顶部绝缘层的温度，同时记录冰柱脱落的时间。
9.如权利要求8所述的测试如上所述的制备方法制备的一体化多孔电热防除冰材料的电热除冰的方法，其特征在于，所述砝码的质量为90g，冰柱的直径为3.0mm，通电功率8W。
10.一种如权利要求1～7任一项所述的制备方法制备的一体化多孔电热防除冰材料在防除冰领域中的应用。
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