CN116144221B - 一种有机碘试剂改性的防冰/除冰橡胶涂层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种有机碘试剂改性的防冰/除冰橡胶涂层及其制备方法，涉及橡胶涂层技术领域，所述橡胶涂层由包括以下组分的原料制备得到：不饱和橡胶、有机碘试剂和溶剂；以溶剂为100重量份计，各组分按重量份数计：不饱和橡胶0.1‑50重量份；有机碘试剂0.1‑50重量份。本发明的有机碘试剂改性的橡胶涂层兼具着优异的被动防冰和主动光热除冰的性能，不仅能够防止结冰，还能够利用太阳光这一绿色清洁的能源进行高效地表面熔融除冰。同时，该制备方法工艺简单，非常容易实现工业化生产，因此该有机碘试剂改性的橡胶涂层在表面防冰与除冰领域有着很好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及橡胶涂层技术领域，进一步地说，是涉及一种有机碘试剂改性的防冰/除冰橡胶涂层及其制备方法。
背景技术
低温下的水结冰是众所周知的现象，而冰的形成和积聚会导致严重的安全问题，如导致飞机、电网、输电线路、道路、海洋等基础设施各个领域的巨大经济损失。船舶、可再生能源设备等，例如：村庄之间的高压电缆也受到结冰的困扰。由于冰的重量很大，电缆很容易塌陷，从而导致高纬度村庄冬季大面积缺电。因此，开发能够防冰的橡胶涂层材料对于避免结冰灾害至关重要。
近些年来，防冰涂层材料日益兴起，其通常具备延迟表面结冰的性能。尽管结冰时间有所延迟，但当温度低于其冰点时，水处于热力学不稳定状态，仍然会不可避免地结冰。出于这个原因，人工干预的除冰方法正在成为减少冰灾的一个创新分支，其中加热升温是最实用的方法之一，但它通常依赖于复杂的能源供应系统。光热转换已被用作一种间接的热增温方式，可满足在低环境温度下通过太阳能照明进行远程操作和自除冰的需要。因此，如何兼顾被动的防冰性能与主动的光热除冰性能，对于开发新型的防冰/除冰橡胶涂层至关重要。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种有机碘试剂改性的防冰/除冰橡胶涂层及其制备方法。本发明的有机碘试剂改性的橡胶涂层兼具着优异的被动防冰和主动光热除冰的性能，不仅能够防止结冰，还能够利用太阳光这一绿色清洁的能源进行高效地表面熔融除冰。同时，该制备方法工艺简单，非常容易实现工业化生产，因此该有机碘试剂改性的橡胶涂层在表面防冰与除冰领域有着很好的应用前景。
本发明的目的之一是提供一种有机碘试剂改性的防冰/除冰橡胶涂层，所述橡胶涂层由包括以下组分的原料制备得到：
不饱和橡胶、有机碘试剂和溶剂；
以溶剂为100重量份计，各组分按重量份数计：
不饱和橡胶 0.1-50重量份；
有机碘试剂 0.1-50重量份。
优选的，以溶剂为100重量份计，各组分按重量份数计：
不饱和橡胶 1-10重量份；
有机碘试剂 0.5-10重量份。
优选的，所述不饱和橡胶为具有不饱和碳碳双键结构的橡胶；优选地，所述不饱和橡胶为天然橡胶、丁苯橡胶、氯丁橡胶中的至少一种。
优选的，所述有机碘试剂为能够与不饱和橡胶的碳碳双键反应的含碘有机物；优选地，所述有机碘试剂为N-碘代琥珀酰亚胺、二乙酸碘苯中的至少一种。
优选的，所述溶剂为常用的各类有机溶剂，如甲苯、四氢呋喃、二氯甲烷、石油醚中的至少一种。
本发明的配方中还可以依据实际情况加入常规的助剂，如：有机硅或聚醚类消泡剂，其用量为常规用量，技术人员可以依据实际情况添加。
本发明的目的之二是提供一种有机碘试剂改性的防冰/除冰橡胶涂层的制备方法，所述方法包括：
所述组分按所述重量混合反应，加热处理后得到所述橡胶涂层。
优选的，所述方法包括以下两种方法之一：
(1)将不饱和橡胶溶解于40-99重量份溶剂中，涂覆至基底上，加热处理后，将有机碘试剂溶解于剩余溶剂中，继续涂覆有机碘试剂的溶液，加热处理，得到所述橡胶涂层；
(2)将不饱和橡胶与有机碘试剂共同溶解于溶剂中，涂覆至基底上，加热处理后得到所述橡胶涂层。
优选的，加热处理温度为25-150℃，优选50-80℃；处理时间为0.1-48小时，优选0.5-24小时。
优选的，所述基底为金属基底、无机非金属基底、高分子基底中的至少一种；所述基底的材质为铁、不锈钢、铝合金、玻璃、陶瓷、高分子材料中的至少一种。
本发明基于含有不使饱和碳碳双键的高分子材料，如天然橡胶、丁苯橡胶、氯丁橡胶等，通过有机碘试剂改性的方式，将其改性成防冰/除冰的涂层材料。通过有机碘试剂与不饱和碳碳双键的反应，改性后的橡胶材料能在内部和表面形成诸多聚电解质结构的链段，相比原始的橡胶材料在防冰方面具有以下三大优势：
(1)有机碘试剂改性后的橡胶涂层具有更低的表面结冰温度；
(2)有机碘试剂改性后的橡胶涂层具有更低的表面结冰温度；
(3)有机碘试剂改性后的橡胶涂层具有更低的表面冰粘附强度。
此外，有机碘改性赋予橡胶光热转换的性能，能够将太阳光转化成热能，从而能够通过光照加热使样品升温，达到主动除冰的目的。
本发明的有机碘试剂改性的橡胶涂层在0.5W/cm2光照强度下辐照2分钟后，温度即可从-20℃升温至60℃以上，从而使得表面冰层快速融化脱落。由于橡胶材料和有机碘试剂的来源均丰富易得，成本低，且该工艺操作简便，因此该方法在被动防冰和主动除冰方面都有广泛的应用前景。
附图说明
图1为实施例1中的有机碘试剂改性的丁苯橡胶和未经有机碘试剂处理的丁苯橡胶在0.5W/cm2光照下的升温曲线；
图2为实施例2中的有机碘试剂改性的丁苯橡胶和未经有机碘试剂处理的丁苯橡胶在0.5W/cm2光照下的升温曲线；
图3为实施例3中的有机碘试剂改性的天然橡胶和未经有机碘试剂处理的天然橡胶在0.5W/cm2光照下的升温曲线；
图4为实施例4中的有机碘试剂改性的氯丁橡胶和未经有机碘试剂处理的氯丁橡胶在0.5W/cm2光照下的升温曲线；
图5为实施例5中的有机碘试剂改性的天然橡胶和未经有机碘试剂处理的天然橡胶在0.5W/cm2光照下的升温曲线；
图6为实施例6中的有机碘试剂改性的丁苯橡胶和未经有机碘试剂处理的丁苯橡胶在0.5W/cm2光照下的升温曲线。
具体实施方式
下面结合具体附图及实施例对本发明进行具体的描述，有必要在此指出的是以下实施例只用于对本发明的进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域技术人员根据本发明内容对本发明做出的一些非本质的改进和调整仍属本发明的保护范围。
本发明实施例中所用原料均为市售产品，具体信息如下表1：
表1
| 物质 | 厂家 | 型号 |
| 丁苯橡胶 | 巴陵石化 | SBS1401(YH-792) |
| 氯丁橡胶 | 山西长寿 | CR244-2 |
| 天然橡胶 | 上海缘橡 | SCRWF |
| N-碘代琥珀酰亚胺 | 宁波台康化工 | 分析纯 |
| 二乙酸碘苯 | 上海迈瑞尔 | 分析纯 |
实施例1
制备有机碘试剂改性的防冰/除冰橡胶涂层，包括如下步骤：
(1)将10重量份丁苯橡胶加入50重量份甲苯中，室温搅拌充分溶解后，将其涂抹至铝合金基底表面，80℃下处理24小时，使甲苯充分挥发，得到未经有机碘试剂处理的丁苯橡胶涂层；
(2)将5重量份N-碘代琥珀酰亚胺溶解于50重量份甲苯中，随后将溶液涂抹至步骤(1)的丁苯橡橡胶涂层上，置于烘箱中，升温至80℃，处理半小时后取出，即可得到有机碘试剂改性的丁苯橡胶。
对本实施例1制得的有机碘试剂改性的丁苯橡胶和未经有机碘试剂处理的丁苯橡胶进行接触角测试(具体操作过程可参考Langmuir 2021,37,11474-11483)、结冰试验(结冰温度：是在匀速降温的环境中，记录下液滴在材料表变的发生结冰的温度；结冰时间：是在-20℃下观察液滴在材料表面的结冰时间；具体操作过程可参考Adv.Mater.2016,28,7729-7735.Surface&Coating Technologies 2020,402,126342.)和界面冰粘附强度测试(在低温下环境下使冰柱在材料表面凝结，随后用推力计水平推动，直至冰柱与表面剥离，记录最大的力，除以冰柱横截面积，即可得到冰粘附强度。具体操作过程可参考Surface&Coating Technologies 2020,402,126342.)。测试结果如表2所示：
表2
由表2可知，有机碘试剂改性的丁苯橡胶的水接触角要明显小于未改性的丁苯橡胶，由此可知通过本发明的方法成功地在丁苯橡胶涂层中引入了聚电解质等亲水性结构；又表面结冰温度和延迟结冰时间的结果可知，有机碘试剂改性的丁苯橡胶的表面结冰温度要明显低于未改性的丁苯橡胶，且结冰时间(-20℃环境下)有明显的提升，由此可知本发明成功地使橡胶涂层具备较好的延迟结冰性能；且有机碘试剂改性后的橡胶涂层具备更低的冰附着力。综合上述三个方面可知，本发明所制备的有机碘试剂改性的橡胶涂层材料具备优异的防覆冰性能。
对本实施例1制得的有机碘试剂改性的橡胶涂层材料进行光热除冰试验，利用太阳光模拟器(Crowntech,Solarbeam-02-3A)，采用0.5W/cm2光照强度对有机碘试剂改性橡胶涂层进行加热，同时采用红外热成像仪(Fluke，TiX660)监测表面温度(具体操作过程可参考PNAS 2020,117,11240-11246.)，结果如图1所示，有机碘试剂改性的橡胶涂层加热一段时间后，温度有了较大幅度上升，而未经有机碘试剂处理的丁苯橡胶涂层温度并没有明显提升。由此可见，该有机碘试剂改性后的橡胶涂层具备优异的光热转换性能，能够利用太阳光作为能源，通过光热转换从而实现除冰。
实施例2
制备有机碘试剂改性的防冰/除冰橡胶涂层，包括如下步骤：
(1)将12重量份丁苯橡胶与3重量份二乙酸碘苯溶解于100重量份甲苯中，室温搅拌充分溶解后，加热至50℃反应30分钟；
(2)将上述反应后的溶液涂抹至铝合金基底表面，80℃处理24小时，使甲苯充分挥发，即可得到有机碘试剂改性的丁苯橡胶涂层。
对本实施2例制得的有机碘试剂改性的丁苯橡胶涂层材料和未经有机碘试剂处理的丁苯橡胶进行如实施例1所述的接触角测试、结冰试验和界面冰粘附强度测试，结果如表3所示：
表3
由表3可知，有机碘试剂改性的橡胶涂层的水接触角要明显小于未改性的丁苯橡胶，由此可知本发明方法能够成功地在橡胶涂层中引入聚电解质等亲水性的结构；由表面结冰温度和延迟结冰时间的结果可知，有机碘试剂改性的橡胶表面结冰温度要明显低于未改性的丁苯橡胶，且结冰时间有明显的提升，可以看出有机碘试剂改性的橡胶材料表面结冰温度降低，时间变长；且其界面冰粘附强度明显降低。综合上述三个方面可知，本发明所制备的有机碘试剂改性的橡胶涂层材料具备优异的防覆冰性能。
对本实施例2制得的有机碘试剂改性的橡胶涂层材料进行如实施例1所述的光热除冰试验，结果如图2所示，有机碘试剂改性的橡胶涂层加热一段时间后，温度有了较大幅度上升，而未经有机碘试剂处理的丁苯橡胶涂层温度并没有明显提升。由此可见，该有机碘试剂改性的橡胶涂层具备优异的光热转换性能，能够利用太阳光作为能源，通过光热转换从而实现除冰。
实施例3
制备有机碘试剂改性的防冰/除冰橡胶涂层，包括如下步骤：
(1)将5重量份天然橡胶与1重量份N-碘代琥珀酰亚胺溶解于100重量份四氢呋喃中，室温搅拌充分溶解后，加热至50℃反应30分钟；
(2)将上述反应后的溶液涂抹至玻璃基底表面，50℃处理24小时，使四氢呋喃充分挥发，即可得到有机碘试剂改性的天然橡胶涂层。
对本实施3例制得的有机碘试剂改性的天然橡胶涂层材料和未经有机碘试剂处理的天然橡胶进行如实施例1所述的接触角测试、结冰试验和界面冰粘附强度测试，结果如表4所示：
表4
由表4可知，有机碘试剂改性的橡胶涂层的水接触角要明显小于未改性的天然橡胶，由此可知本发明方法能够成功地在橡胶涂层中引入聚电解质等亲水性的结构；由表面结冰温度和延迟结冰时间的结果可知，有机碘试剂改性的橡胶表面结冰温度要明显低于未改性的天然橡胶，且结冰时间有明显的提升，可以看出有机碘试剂改性的橡胶材料表面结冰温度降低，时间变长；且其界面冰粘附强度明显降低。综合上述三个方面可知，本发明所制备的有机碘试剂改性的橡胶涂层材料具备优异的防覆冰性能。
对本实施例3制得的有机碘试剂改性的橡胶涂层材料进行如实施例1所述的光热除冰试验，结果如图3所示，有机碘试剂改性的橡胶涂层加热一段时间后，温度有了较大幅度上升，而未经有机碘试剂处理的天然橡胶涂层温度并没有明显提升。由此可见，该有机碘试剂改性的橡胶涂层具备优异的光热转换性能，能够利用太阳光作为能源，通过光热转换从而实现除冰。
实施例4
制备有机碘试剂改性的防冰/除冰橡胶涂层，包括如下步骤：
(1)将15重量份氯丁橡胶与5重量份N-碘代琥珀酰亚胺溶解于100重量份二氯甲烷中，室温搅拌充分溶解后，加热至50℃反应30分钟；
(2)将上述反应后的溶液涂抹至铁基底表面，50℃处理24小时，使二氯甲烷充分挥发，即可得到有机碘试剂改性的氯丁橡胶涂层。
对本实施4例制得的有机碘试剂改性的氯丁橡胶涂层材料和未经有机碘试剂处理的氯丁橡胶进行如实施例1所述的接触角测试、结冰试验和界面冰粘附强度测试，结果如表5所示：
表5
由表5可知，有机碘试剂改性的橡胶涂层的水接触角要明显小于未改性的氯丁橡胶，由此可知本发明方法能够成功地在橡胶涂层中引入聚电解质等亲水性的结构；由表面结冰温度和延迟结冰时间的结果可知，有机碘试剂改性的橡胶表面结冰温度要明显低于未改性的氯丁橡胶，且结冰时间有明显的提升，可以看出有机碘试剂改性的橡胶材料表面结冰温度降低，时间变长；且其界面冰粘附强度明显降低。综合上述三个方面可知，本发明所制备的有机碘试剂改性的橡胶涂层材料具备优异的防覆冰性能。
对本实施例4制得的有机碘试剂改性的橡胶涂层材料进行如实施例1所述的光热除冰试验，结果如图4所示，有机碘试剂改性的橡胶涂层加热一段时间后，温度有了较大幅度上升，而未经有机碘试剂处理的氯丁橡胶涂层温度并没有明显提升。由此可见，该有机碘试剂改性的橡胶涂层具备优异的光热转换性能，能够利用太阳光作为能源，通过光热转换从而实现除冰。
实施例5
制备有机碘试剂改性的防冰/除冰橡胶涂层，包括如下步骤：
(1)将5重量份天然橡胶橡胶与2重量份N-碘代琥珀酰亚胺溶解于100重量份石油醚中，室温搅拌充分溶解后，加热至50℃反应30分钟；
(2)将上述反应后的溶液涂抹至铝合金基底表面，50℃处理24小时，使石油醚充分挥发，即可得到有机碘试剂改性的天然橡胶涂层。
对本实施5例制得的有机碘试剂改性的天然橡胶涂层材料和未经有机碘试剂处理的天然橡胶进行如实施例1所述的接触角测试、结冰试验和界面冰粘附强度测试，结果如表6所示：
表6
由表6可知，有机碘试剂改性的橡胶涂层的水接触角要明显小于未改性的天然橡胶，由此可知本发明方法能够成功地在橡胶涂层中引入聚电解质等亲水性的结构；由表面结冰温度和延迟结冰时间的结果可知，有机碘试剂改性的橡胶表面结冰温度要明显低于未改性的天然橡胶，且结冰时间有明显的提升，可以看出有机碘试剂改性的橡胶材料表面结冰温度降低，时间变长；且其界面冰粘附强度明显降低。综合上述三个方面可知，本发明所制备的有机碘试剂改性的橡胶涂层材料具备优异的防覆冰性能。
对本实施例5制得的有机碘试剂改性的橡胶涂层材料进行如实施例1所述的光热除冰试验，结果如图5所示，有机碘试剂改性的橡胶涂层加热一段时间后，温度有了较大幅度上升，而未经有机碘试剂处理的天然橡胶涂层温度并没有明显提升。由此可见，该有机碘试剂改性的橡胶涂层具备优异的光热转换性能，能够利用太阳光作为能源，通过光热转换从而实现除冰。
实施例6
制备有机碘试剂改性的防冰/除冰橡胶涂层，包括如下步骤：
(1)将45重量份丁苯橡胶与20重量份N-碘代琥珀酰亚胺溶解于100重量份石油醚中，室温搅拌充分溶解后，加热至50℃反应30分钟；
(2)将上述反应后的溶液涂抹至铝合金基底表面，50℃处理24小时，使石油醚充分挥发，即可得到有机碘试剂改性的丁苯橡胶涂层。
对本实施6例制得的有机碘试剂改性的丁苯橡胶涂层和未经有机碘试剂处理的丁苯橡胶涂层进行如实施例1所述的接触角测试、结冰试验和界面冰粘附强度测试，结果如表7所示：
表7
由表7可知，有机碘试剂改性的丁苯橡胶涂层的水接触角要明显小于未改性的丁苯橡胶，由此可知本发明方法能够成功地在丁苯橡胶涂层中引入聚电解质等亲水性的结构；由表面结冰温度和延迟结冰时间的结果可知，有机碘试剂改性的丁苯橡胶表面结冰温度要明显低于未改性的丁苯橡胶，且结冰时间有明显的提升，可以看出有机碘试剂改性的丁苯橡胶材料表面结冰温度降低，时间变长；且其界面冰粘附强度明显降低。综合上述三个方面可知，本发明所制备的有机碘试剂改性的丁苯橡胶涂层材料具备优异的防覆冰性能。
对本实施例6制得的有机碘试剂改性的丁苯橡胶涂层材料进行如实施例1所述的光热除冰试验，结果如图6所示，有机碘试剂改性的丁苯橡胶涂层加热一段时间后，温度有了较大幅度上升，而未经有机碘试剂处理的丁苯橡胶涂层温度并没有明显提升。由此可见，该有机碘试剂改性的丁苯橡胶涂层具备优异的光热转换性能，能够利用太阳光作为能源，通过光热转换从而实现除冰。
Claims (8)
1.一种有机碘试剂改性的防冰/除冰橡胶涂层，其特征在于：所述橡胶涂层由包括以下组分的原料制备得到：
不饱和橡胶、有机碘试剂和溶剂；
以溶剂为100重量份计，各组分按重量份数计：
不饱和橡胶5-45重量份；
有机碘试剂0.5-20重量份；
所述不饱和橡胶为天然橡胶、丁苯橡胶、氯丁橡胶中的至少一种；
所述有机碘试剂为N-碘代琥珀酰亚胺、二乙酸碘苯中的至少一种；
所述溶剂为甲苯、四氢呋喃、二氯甲烷、石油醚中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的有机碘试剂改性的防冰/除冰橡胶涂层，其特征在于：
以溶剂为100重量份计，各组分按重量份数计：
不饱和橡胶5-10重量份；
有机碘试剂0.5-10重量份。
3.根据权利要求1所述的有机碘试剂改性的防冰/除冰橡胶涂层，其特征在于：
所述不饱和橡胶为具有不饱和碳碳双键结构的橡胶。
4.一种如权利要求1-3任一所述的有机碘试剂改性的防冰/除冰橡胶涂层的制备方法，其特征在于所述方法包括：
所述组分按所述重量混合反应，加热处理后得到所述橡胶涂层。
5.根据权利要求4所述的有机碘试剂改性的防冰/除冰橡胶涂层的制备方法，其特征在于所述方法包括以下两种方法之一：
（1）将不饱和橡胶溶解于40-99重量份溶剂中，涂覆至基底上，加热处理后，将有机碘试剂溶解于剩余溶剂中，继续涂覆有机碘试剂的溶液，加热处理，得到所述橡胶涂层；
（2）将不饱和橡胶与有机碘试剂共同溶解于溶剂中，涂覆至基底上，加热处理后得到所述橡胶涂层。
6.根据权利要求4所述的有机碘试剂改性的防冰/除冰橡胶涂层的制备方法，其特征在于：
加热处理温度为25-150℃；处理时间为0.1-48小时。
7.根据权利要求4所述的有机碘试剂改性的防冰/除冰橡胶涂层的制备方法，其特征在于：
加热处理温度为50-80℃；处理时间为0.5-24小时。
8.根据权利要求5所述的有机碘试剂改性的防冰/除冰橡胶涂层的制备方法，其特征在于：
所述基底为金属基底、无机非金属基底、高分子基底中的至少一种；所述基底的材质为铁、不锈钢、铝合金、玻璃、陶瓷、高分子材料中的至少一种。
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