CN116333595A - 风机叶片防冰涂层以及风机叶片 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高耐候的风机叶片防冰涂层以及具有该防冰涂层的风机叶片，通过融雪剂的融雪效果配合高分子疏水组分的疏水效果，能够在普通温度环境下提升防冰涂层的防冰效果，在超低温环境中融雪剂失效的情况下也能具有疏水防冰效果，从而能够提供更稳定的抗冰粘附效果；其次，疏水改性的聚硅氧烷具有高键能的Si‑O键，结构稳定，具有很高的室外耐候性，特别是聚硅氧烷的防腐性能，能够更好的抑制融雪剂对物体表面的腐蚀，从而能够提高防冰涂层对恶劣环境的耐候。防冰涂层包括由融雪组分和高分子疏水组分复合形成的表面层，融雪组分包含融雪剂；高分子疏水组分包含由疏水改性聚硅氧烷和纳米二氧化硅复合形成的疏水材料。
Description
技术领域
本发明涉及防冰技术领域，具体为一种高耐候的风机叶片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，采用表面涂层材料则利用材料本身的疏水、润滑等性质，实现对设备表面除冰、抗粘附、防霜的效果，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，超疏水结构、注入润滑剂的材料等表面涂层材料的功能较为单一，均采用了降低物体表面的冰粘附性的方式抑制物体的表面冰晶的粘附生长，而对已经结冰的表面效果不佳。
对此，专利CN107298906A中还提出了将融雪剂与高分子材料复合形成具有超疏水表面结构的防护涂层，但是融雪剂融雪过程中析出的氯离子、硫酸根离子等，会造成物体表面的腐蚀，并且，对于在一些大风环境、寒冷环境下工作的物体，融雪剂的加入容易造成高分子有机涂层的强度不足，导致涂层损坏，特别是对于难以更换且对表面强度要求极高的物体，例如风机叶片，叶片表面的腐蚀和损坏难以维修且具有极大的安全风险。进一步地，损坏或腐蚀的表面还会影响超疏水结构的效果，甚至破坏表面的超疏水结构使得该防冰涂层丧失防冰效果。
发明内容
针对以上问题，本发明提供了一种高耐候的风机叶片防冰涂层以及具有该防冰涂层的风机叶片，能够抑制融雪剂对物体表面的腐蚀，同时提升防冰涂层的疏水性，从而在一些恶劣的环境下提供更加稳定的防冰效果。
本发明的第一方面提供了一种高耐候的风机叶片防冰涂层，包括由融雪组分和高分子疏水组分复合形成的表面层，融雪组分包含融雪剂；高分子疏水组分包含由疏水改性聚硅氧烷和纳米二氧化硅复合形成的疏水材料。
根据该技术方案，融雪组分与高分子疏水组分复合形成的表面层能够有效地抑制表面的成核生长，并且被融雪剂持续融化的冰水会在涂层表面形成润滑层，能够与高分子疏水组分配合，降低防冰涂层的表面粘附性，配合高分子疏水组分的疏水效果，能够在普通温度环境提供更好的疏水融冰效果，在超低温环境中(融雪剂失效)，也能够提供较高的疏水防冰效果。从而可以实现对低温结冰环境的高耐候性。
其次，疏水改性的聚硅氧烷具有高键能的Si-O键，结构稳定，具有很高的室外耐候性，特别是聚硅氧烷的防腐性能，能够更好的抑制融雪剂对物体表面的腐蚀，进一步地利用纳米二氧化硅掺杂补强，纳米二氧化硅能够与聚硅氧烷形成交联的Si-O网络，增强防冰涂层的强度，同时将融雪剂稳定地分散于Si-O网络中，从而能够提高防冰涂层的强度以及防腐性能，具有极高的环境耐候性。
作为本发明优选的技术方案，融雪组分包含碱金属或碱土金属类融雪剂。
根据该技术方案，碱金属和碱土金属类融雪剂为市售的常见融雪剂，成本低易获得。
作为本发明优选的技术方案，融雪剂与疏水改性聚硅氧烷的质量比例为0.05-0.20。
根据该技术方案，融雪剂的质量分数过低会导致防冰涂层的融冰效率低，过高则会影响防冰涂层的强度以及对物体表面造成较大的腐蚀，因此融雪剂与疏水改性聚硅氧烷的质量比例控制在0.05-0.20的范围内能够兼顾防冰涂层融冰效果和结构强度。
作为本发明优选的技术方案，纳米二氧化硅与疏水改性聚硅氧烷的质量比例为0.15-0.30。
根据该技术方案，纳米二氧化硅与聚硅氧烷之间具有较强的相互作用，从而形成稳定的网络结构，但过多的纳米二氧化硅一方面容易影响材料的透明度，并且还容易自身复合影响材料的强度，因此将纳米二氧化硅与疏水改性聚硅氧烷的质量比例控制在0.15-0.30的范围内能够使得防冰涂层具有更高的强度。
作为本发明优选的技术方案，疏水改性聚硅氧烷上具有多个硅氢键。
根据该技术方案，具有硅氢键的聚硅氧烷能够进一步与纳米二氧化硅通过氢键联结，从而进一步增强疏水组分的网路结构，提高防冰涂层的强度，另外，硅氢键在固化后会分解，放出氢气，从而在涂层表面形成微孔，从而使得防冰涂层具有超疏水特性，从物理结构上提升了聚硅氧烷的疏水性。
作为本发明优选的技术方案，疏水改性聚硅氧烷是氟碳化合物接枝聚硅氧烷。
根据该技术方案，氟碳化合物作为常见的疏水基团，通过氟碳化合物对聚硅氧烷进行接枝接枝能够从化学组成方面提高聚硅氧烷的疏水性。
作为本发明优选的技术方案，表面层为融雪组分和高分子疏水组分在有机溶剂中混合分散、喷涂、固化后得到的。
根据该技术方案，混合分散有利于融雪组分和高分子疏水组分之间的分散均匀，融雪组分能够均匀地分布于高分子疏水组分的网络结构中，而喷涂后的固化则可以增加涂层强度，使得涂层牢牢地黏附于物体表面。
作为本发明优选的技术方案，固化的温度大于100℃。
根据该技术方案，大于100℃的固化温度能够使得硅氢键分解形成微孔，提升防冰涂层的疏水性能。
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是本实施方式中的防冰涂层的静水接触角。
图2是本实施方式中的不同防冰涂层在-10℃下冰块融化时间的关系图。
图3是本实施方式中的不同的防冰涂层的冰块滑动角与温度的关系的折线图。
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，术语“超疏水结构”指的是防冰涂层表面的微柱或微孔纳米结构，具体而言，微柱或微孔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。
本实施方式提供了一种高耐候的风机叶片防冰涂层，包括由融雪组分和高分子疏水组分复合形成的表面层。其中，表面层为融雪组分和高分子疏水组分在有机溶剂中混合分散、喷涂、固化后得到的，混合分散有利于融雪组分和高分子疏水组分之间的分散均匀，融雪组分能够均匀地分布于高分子疏水组分的网络结构中，而喷涂后的固化则可以增加涂层强度，使得涂层牢牢地黏附于物体表面。
融雪剂可以为常见的碱金属或碱土金属类融雪剂，例如氯化钙、氯化钠等，由于融雪剂的掺杂比例过高会影响防冰涂层的强度以及对物体表面造成较大的腐蚀，因此融雪剂与疏水改性聚硅氧烷的质量比例控制在0.05-0.20的范围内能够兼顾防冰涂层融冰效果和结构强度。
高分子疏水组分包含由疏水改性聚硅氧烷和纳米二氧化硅复合形成的疏水材料。其中，纳米二氧化硅与疏水改性聚硅氧烷的质量比例为0.15-0.30，纳米二氧化硅与聚硅氧烷之间具有较强的相互作用，从而形成稳定的网络结构，但过多的纳米二氧化硅容易影响材料的透明度，并且还容易自身复合影响材料的强度，因此将纳米二氧化硅与疏水改性聚硅氧烷的质量比例控制在0.15-0.30的范围内能够使得防冰涂层具有更高的结构强度。
其中，优选地，在一些实施方式中，疏水改性聚硅氧烷上具有多个硅氢键，具有硅氢键的聚硅氧烷能够进一步与纳米二氧化硅通过氢键联结，从而进一步增强疏水组分的网路结构，提高防冰涂层的强度，进一步地，使得固化的温度大于100℃，固化过程中硅氢键分解形成微孔，从物理结构上提升了聚硅氧烷的疏水性。在另一些实施方式中，疏水改性聚硅氧烷还可以进一步与氟碳化合物接枝形成疏水的聚硅氧烷，从而能够从化学组成上提高聚硅氧烷的疏水性。
在本实施方式中，融雪组分与高分子疏水组分复合形成的表面层能够有效地抑制表面的成核生长，并且被融雪剂持续融化的冰水会在涂层表面形成润滑层，能够与高分子疏水组分配合，降低防冰涂层的表面粘附性，配合高分子疏水组分的疏水效果，即使在超低温环境中也可以实现稳定的抗冰粘附效果；其次，疏水改性的聚硅氧烷具有高键能的Si-O键，结构稳定，具有很高的室外耐候性，特别是聚硅氧烷的防腐性能，能够更好的抑制融雪剂对物体表面的腐蚀，进一步地，利用纳米二氧化硅掺杂补强，纳米二氧化硅能够与聚硅氧烷形成交联的Si-O网络，增强防冰涂层的强度，使得融雪剂稳定地分散于Si-O网络内，从而提高了防冰涂层对恶劣环境(低温、大风、高湿度等)的耐候。
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制备疏水改性聚硅氧烷
在氮气气氛下，将三烷氧基硅烷加入到乙醇溶剂中，搅拌形成混合溶液，向混合溶液中加入稀盐酸，调节pH达到3～6；滴加完毕后反应进行2～3小时，得到第一反应液；
另取一个容器，加入等量的乙醇溶剂，向乙醇溶剂中加入三甲基氯硅烷，搅拌形成混合溶液，再加入等量的稀盐酸形成pH达到3～6的均相溶液；在温度为60℃的条件下恒温反应1～3小时，得到第二反应液；
将第二反应液滴加到第一反应液中，恒温60℃反应6～10小时后得白色乳浊液；
对白色乳浊液静置分离后得到油性物质，即为封端的含硅氢键的聚硅氧烷。
将制得的含硅氢键的聚硅氧烷溶于甲苯中，持续搅拌，并向混合溶液中按与聚硅氧烷20：1的摩尔比例加入多氟烷基磺酰卤，在酸性条件下持续搅拌反应1h后，蒸发溶剂并洗涤干燥得到全氟烷基磺酰胺接枝的含硅氢键的聚硅氧烷。
1.2制备高分子疏水前驱体
分别按0.6g/100mL、0.8g/mL、1g/mL和1.2g/mL的比例向二甲苯有机溶剂中加入纳米二氧化硅粒子(200nm)，超声分散10min得到分散液，然后在分散液中按4g/100mL的比例加入1.1节中制得的疏水改性聚硅氧烷，继续超声分散10min，得到透明澄清的高分子疏水前驱体-1、高分子疏水前驱体-2、高分子疏水前驱体-3、高分子疏水前驱体-4。
1.2制备防冰涂层
分别按0.2g/mL、0.4g/mL和0.8g/mL向高分子疏水前驱体-3中加入融雪剂(CaCl2)，在1000r/min的高速搅拌下混合1h后，将混合溶液向玻璃表面喷涂，并在120℃环境下固化10min，即得到本实施方式中的防冰涂层-1、防冰涂层-2和防冰涂层-3(即下文中的样品1、样品2和样品3)。
按0.2g/mL向高分子疏水前驱体-1、高分子疏水前驱体-2、高分子疏水前驱体-4中分别加入融雪剂(CaCl2)，在1000r/min的高速搅拌下混合1h后，将混合溶液向碳钢片表面喷涂，并在120℃环境下固化10min，即得到本实施方式中的防冰涂层-4、防冰涂层-5和防冰涂层-6(即下文中的样品4、样品5和样品6)。
将0.2g的融雪剂与1g的氟碳涂料充分搅拌混合后喷涂在碳钢片表面得到防冰涂层-对照(即下文中的对照样品)。
2.材料表征
2.1微观形貌
用扫描电子显微镜观察样品1表面的微观形貌，可以看到本实施方式中制备的防冰涂层表面形成有微孔结构，这是由于高分子疏水前驱体中的聚硅氧烷的硅氢键在固化过程中发生分解，因此，在材料表面留下微孔结构。
2.2物理性质测量
在常温下对本实施方式制备的防冰涂层进行划痕实验并记录涂层的临界载荷(/N)，以及对防冰涂层进行拉伸实验抗拉强度测试。实验结果如表1所示。
表1
由表1中的实验结果，本实施方式提供的防冰涂层具有优良的附着强度以及抗拉强度，能够满足大多数环境下的涂层强度需求，其中，随着融雪剂的添加比例的增长，防冰涂层的临界载荷和抗拉强度迅速降低，而纳米二氧化硅的加入则会对涂层的强度有明显提升，但过多的纳米二氧化硅的掺杂会导致涂层结构化，影响涂层的拉伸变形，从而导致抗拉强度降低，因此，纳米二氧化硅的添加比例优选地为0.15-0.3，特别地，在实验样品中，样品1的临界载荷和极限抗拉强度最高，即融雪剂的添加比例为0.05、纳米二氧化硅的添加量为0.2时，制备得到的防冰涂层的强度最优。
2.3疏水性能
对样品1-6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1-6和对照样品的静水接触角和滚动角均能够保持在151°和8°左右，其中，图1中示出了样品4的表面水滴的微观图，如图1所示，样品4的静水接触角达到了152.9°，这是由于样品4中的疏水改性聚硅氧烷的掺杂比例最高，从而制备的防冰涂层的超疏水效果也更好，之后，再用针去接触样品1-6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1-6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1-6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℃，在样品1-3以及对照样品上放置同样大小的冰(10mm*10mm*10mm)，记录样品1-3与对照样品上冰块完全融化的时间。图2为不同样品在-10℃下冰块融化时间的关系图。
如图2所示，样品1-3和对照样品上的冰块均能够在1h内完全融化，证明本实施方式中的防冰涂层中的融雪剂同样能够析出融雪，具有较优的防冰效果。其中，样品3上放置的冰块融化的时间最短，这是由于样品3中融雪剂掺杂量更高，融雪剂能够快速析出进行融雪。
将样品1-6、对照样品分别冷却至-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3是表示不同的防冰涂层的冰块滑动角与温度的关系的折线图。如图3所示，样品1-3和对照样品在-20℃以上的温度中滑动角基本不变。对照样品在低于-20℃的温度中，滑动角开始迅速增加，而样品1-3在-30℃以上的温度中滑动角依旧不变，这是由于在-20℃的环境下氯化钙融雪剂的融雪效果大大降低，并且会导致雪水积累于超疏水结构中增加冰块的粘附性，而本实施方式中即使融雪剂失效，通过防冰涂层本身在化学组成和物理结构上的疏水性也依旧能够减少冰粘附。
当环境温度低于-30℃时，样品1-6的滑动角均开始增大，其中，样品4较低，这是由于在融雪剂失效的情况下，疏水改性的聚硅氧烷的比例越大，防冰涂层的疏水性能越好。
2.5耐磨性能
将样品1-6和对照样品与载重50g的粗砂纸(S3000)摩擦50个循环，然后观察样品1-6摩擦后的表面形貌。其中，样品1-6的损伤情况均优于对照样品，对照样品损伤较多，特别是其表面的部分超疏水结构已经完全损坏，在样品1-6中样品1表面损伤最小，样品3和样品4的损伤较大，这是由于过多的融雪剂对高分子组分的强度影响，以及纳米二氧化硅与聚硅氧烷之间的强作用力形成的Si-O网络对高分子组分的补强效果。
重新对摩擦后的样品进行水滴测试，样品1-6的静水接触角和滚动角依旧保持在150°和9°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1-6表面滚落。这表明本实施方式提供的防冰涂层具有较高的耐磨性能，能够稳定的疏水除冰。
2.6抗腐蚀性能
将样品1-6和对照样品放置于腐蚀实验装置内，设定温度为-10℃，每隔1h向样品表面循环喷洒去离子水，分别在一周、二周、四周、八周时记录表面形貌、收集并分析腐蚀产物，根据标准GB/T19292.4-2003中的方法计算腐蚀速率(g/m2*h)，得到的实验结果如表2所示。
表2
| 第一周 | 第二周 | 第四周 | 第八周 | |
| 样品1 | 0.287 | 0.233 | 0.211 | 0.167 |
| 样品2 | 0.357 | 0.337 | 0.308 | 0.253 |
| 样品3 | 0.484 | 0.398 | 0.347 | 0.291 |
| 样品4 | 0.256 | 0.189 | 0.165 | 0.147 |
| 样品5 | 0.279 | 0.192 | 0.178 | 0.162 |
| 样品6 | 0.281 | 0.214 | 0.184 | 0.156 |
| 对照样品 | 0.525 | 0.488 | 0.406 | 0.388 |
根据表2可以看出，防冰涂层的腐蚀性会随着融雪剂的添加量升高而升高，而相较于对照样品中的氟碳涂层，由于本实施方式中的防冰涂层具有强力的Si-O网络，融雪剂分散于网络结构中，更加稳定，本实施方式中的防冰涂层对于融雪剂的腐蚀性有明显的抑制效果。
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 (9)
1.一种高耐候的风机叶片防冰涂层，其特征在于，包括由融雪组分和高分子疏水组分复合形成的表面层，
所述融雪组分包含融雪剂；
所述高分子疏水组分包含由疏水改性聚硅氧烷和纳米二氧化硅复合形成的疏水材料。
2.如权利要求1所述的防冰涂层，其特征在于，所述融雪组分包含碱金属或碱土金属类融雪剂。
3.如权利要求2所述的防冰涂层，其特征在于，所述融雪剂与所述疏水改性聚硅氧烷的质量比例为0.05-0.20。
4.如权利要求1所述的防冰涂层，其特征在于，所述纳米二氧化硅与所述疏水改性聚硅氧烷的质量比例为0.15-0.30。
5.如权利要求1所述的防冰涂层，其特征在于，所述疏水改性聚硅氧烷上具有多个硅氢键。
6.如权利要求5所述的防冰涂层，其特征在于，所述疏水改性聚硅氧烷是氟碳化合物接枝聚硅氧烷。
7.如权利要求1所述的防冰涂层，其特征在于，所述表面层为融雪组分和高分子疏水组分在有机溶剂中混合分散、喷涂、固化后得到的。
8.如权利要求7所述的防冰涂层，其特征在于，所述固化的温度大于100℃。
9.一种风机叶片，其特征在于，所述风机叶片设置有如权利要求1-8中任一项所述的防冰涂层。
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