CN116463027A - 具有阻尼吸收能力的防冰涂层以及风机叶片 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种防冰涂层以及具有该防冰涂层的风机叶片，该防冰涂层具有优良的阻尼吸收能力，包括：具有阻尼吸收材料的阻尼吸收层；形成于阻尼吸收层上表面的疏水层，其中，疏水层至少包括一种或多种高分子疏水材料。高分子疏水材料例如低表面能聚合物，由于材料自身的疏水性能，能够降低冰在疏水层表面的粘附性，从而抑制水滴在防冰涂层表面的结晶、成核，而阻尼吸收材料则能够通过材料的微小形变将振动机械能转变为内能，减少风沙、雨水对基材的侵蚀，降低维护成本，延长使用寿命，从而能够同时兼顾阻尼性能和防冰性能。

Description

具有阻尼吸收能力的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，具体为一种具有阻尼吸收能力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。
另外，对于长时间持续运转的风机叶片等机械设备，往往会产生大量的振动机械能，不仅会降低机械设备的能量利用率，并且持续地高强度振动还会对损伤机械设备的连接稳定性，加快零部件的损耗，振动产生的巨大噪音还会影响大范围内的居住环境，并且，一些恶劣环境下(例如风沙、大风、暴雨以及冰雹等)，持续地风力作用和雨滴、冰晶击打也会对设备表面造成损伤。
发明内容
针对以上问题，本发明提供了一种具有阻尼吸收能力的防冰涂层以及具有该防冰涂层的风机叶片，该防冰涂层具有较好的阻尼性能和防冰性能，能够兼顾解决机械设备的结冰问题和设备在振动和击打过程中易损坏的问题。
本发明一方面提供了一种具有阻尼吸收能力的防冰涂层，包括：具有阻尼吸收材料的阻尼吸收层；形成于阻尼吸收层上表面的疏水层，其中，疏水层至少包括一种或多种高分子疏水材料。
根据该技术方案，高分子疏水材料例如低表面能聚合物，由于材料自身的疏水性能，能够降低水在疏水层表面的粘附性，从而抑制水在防冰涂层表面的结晶、成核，而阻尼吸收材料则能够通过材料的微小形变将振动机械能转变为内能，能够在装备的表面形成保护，对装置本身的机械振动以及外部环境的持续击打进行缓冲，从而能够减少风沙、雨水对基材的侵蚀，降低维护成本，延长使用寿命，能够同时兼顾阻尼性能和防冰性能。
作为优选的技术方案，阻尼吸收材料至少包括由环氧树脂、聚氨酯和固化剂制得的复合材料，环氧树脂与聚氨酯的摩尔比例为0.6-1.2。
根据该技术方案，环氧树脂(EP)、聚氨酯(PU)和固化剂制得的复合材料具有互穿聚合物网络结构(IPN)，由于交联网络之间的相互贯穿，产生强迫互溶和协同效应，使得阻尼吸收材料具有更宽的阻尼温域，更高的阻尼损耗因子，并且，复合的阻尼吸收材料的阻尼损耗因子最大值tanδmax对应的玻璃化转变温度Tg随环氧树脂与聚氨酯的摩尔比例升高而升高，当环氧树脂与聚氨酯的摩尔比例为0.3-1时，制得的阻尼吸收材料的阻尼损耗因子最大值tanδmax对应的玻璃化转变温度Tg为-18.4℃～20.7℃，从而能够在寒冷的结冰环境下具有较高的阻尼性能。
作为优选的技术方案，阻尼吸收材料还包括无机填料。
根据该技术方案，无机填料的加入能够增加IPN与无机填料之间的相互作用，从而阻尼吸收材料发生微形变时，增加材料体系内的摩擦力，在宏观上，制得的防冰涂层的tanδmax增大，具有更好的阻尼性能。
作为优选的技术方案，无机填料包括氟硅烷改性的纳米二氧化硅颗粒。
根据该技术方案，氟硅烷改性的纳米二氧化硅具有较低的表面能，能够均匀地分散于材料中，促进EP和PU的交联反应，增强EP和PU形成的互穿网络中的分子间的键力，从而增加了阻尼吸收层的韧性，提升了防冰涂层的强度。
作为优选的技术方案，无机填料包括硅纳米弹簧或碳纳米弹簧。
根据该技术方案，纳米弹簧的加入能够大幅提升阻尼吸收材料的阻尼性能，螺旋状的几何形状更容易与互穿的分子链缠绕在一起，从而当吸收振动界面滑移时，能够吸收消耗更多的振动机械能，从而通过防冰涂层的阻尼吸收性能实现对强风、暴雨、冰雹等对设备的表面打击的缓冲，更好的降低风沙、暴雨等对涂层基材的长时间振动侵蚀。
作为优选的技术方案，固化剂为聚酰胺固化剂或酚醛改性脂肪胺固化剂。
根据该技术方案，聚酰胺固化剂或酚醛改性脂肪胺固化剂为长链柔性固化剂，相较于短链固化剂和刚性固化剂，由长链柔性固化剂固化得到的阻尼吸收材料的交联密度更低，交联网络的韧性更高，从而具有更好的阻尼性能。
作为优选的技术方案，高分子疏水材料为氟聚合物。
根据该技术方案，氟聚合物包括乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE)、聚四氟乙烯(PTFE)、氟化乙丙共聚物(FEP)、全氟烷氧基树脂(PFA)、聚氯三氟乙烯(PCTFE)、乙烯一氯三氟乙烯共聚合物(ECTFE)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚氟乙烯、全氟癸基三甲氧基硅烷等，具有较低的表面能，能够实现稳定的疏水防冰效果。
作为优选的技术方案，疏水层还包括由纳米二氧化硅颗粒沉积于疏水层的上表面形成的微纳米凸柱结构。
根据该技术方案，微纳米凸柱结构类似于荷叶表面结构，与水滴的接触角>150゜，具有超疏水性能，进一步提升了防冰涂层的疏水防冰性能。
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技术方案中的防冰涂层。
附图说明
图1是本发明实施方式中制备的阻尼吸收层的损耗因子tanδ-玻璃化转变温度Tg的关系折线图。
图2是本发明实施方式中制备的防冰涂层的冰块滑动角与环境温度的关系的折线图。
图3是本发明实施方式中制备的防冰涂层的振动时间与冰块滑动角的关系的折线图。
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。
本发明实施方式提供了一种具有阻尼吸收能力的防冰涂层，包括：具有阻尼吸收材料的阻尼吸收层；形成于阻尼吸收层上表面的疏水层，其中，疏水层至少包括一种或多种高分子疏水材料。
其中，阻尼吸收材料至少包括由环氧树脂、聚氨酯和固化剂制得的复合材料，环氧树脂可以为双酚A型环氧树脂，能够与聚氨酯形成稳定的互传聚合物网络结构(IPN)，优选地，环氧树脂与聚氨酯的摩尔比例为0.6-1.2。进一步地，阻尼吸收材料还包括无机填料。该无机填料可以为无机纳米颗粒、无机纳米纤维，优选地，无机填料包括氟硅烷改性的纳米二氧化硅颗粒，也可以包括硅纳米弹簧或碳纳米弹簧，或者还可以同时具有氟硅烷改性的纳米二氧化硅颗粒和硅纳米弹簧/碳纳米弹簧。
优选地，环氧树脂与聚氨酯复合的固化剂为柔性长链固化剂，例如聚酰胺固化剂或酚醛改性脂肪胺固化剂。聚酰胺固化剂或酚醛改性脂肪胺固化剂为长链柔性固化剂，相较于短链固化剂和刚性固化剂，由长链柔性固化剂固化得到的阻尼吸收材料的交联密度更低，交联网络的韧性更高，从而具有更好的阻尼性能。
在本实施方式中，环氧树脂(EP)、聚氨酯(PU)和固化剂制得的复合材料具有互穿聚合物网络结构(IPN)，由于交联网络之间的相互贯穿，产生强迫互溶和协同效应，使得阻尼吸收材料具有更宽的阻尼温域，更高的阻尼损耗因子，并且，复合的阻尼吸收材料的阻尼损耗因子最大值tanδmax对应的玻璃化转变温度Tg随环氧树脂与聚氨酯的摩尔比例升高而升高，当环氧树脂与聚氨酯的摩尔比例为0.3-1时，制得的阻尼吸收材料的阻尼损耗因子最大值tanδmax对应的玻璃化转变温度Tg为-18.4℃～20.7℃，从而能够在寒冷的结冰环境下具有较高的阻尼性能，从而即使在寒冷的结冰环境下也能够稳定地实现减少风沙、雨水对基材的侵蚀的效果。无机填料优选地的掺杂质量分数为5-20％，无机填料的加入能够增加IPN与无机填料之间的相互作用，从而阻尼吸收材料发生微形变时，增加材料体系内的摩擦力，在宏观上，制得的防冰涂层的tanδmax增大，具有更好的阻尼性能，能够吸收并缓冲更加恶劣的暴风暴雨天气中的风吹雨打的机械振动能。
其中，纳米二氧化硅的改性剂可以为全氟辛基三乙氧基硅烷、十七氟三甲氧基乙氧基硅烷、十七氟癸基三甲氧基硅烷、五氟苯基二甲基氯硅烷和十二氟庚基丙基三甲氧基硅烷中的一种或多种组合。
优选地，防冰涂层的疏水层中，高分子疏水材料为氟聚合物，例如氟聚合物可以为乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE)、聚四氟乙烯(PTFE)、氟化乙丙共聚物(FEP)、全氟烷氧基树脂(PFA)、聚氯三氟乙烯(PCTFE)、乙烯一氯三氟乙烯共聚合物(ECTFE)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚氟乙烯、全氟癸基三甲氧基硅烷等，具有较低的表面能，能够实现稳定的疏水防冰效果。
进一步优选地，疏水层还包括由纳米二氧化硅颗粒沉积于疏水层的上表面形成的微纳米凸柱结构。
在本实施方式中，高分子疏水材料例如低表面能聚合物，由于材料自身的疏水性能，疏水层表面的微纳米凸柱结构类似于荷叶表面结构，与水滴的接触角>150゜，从而使得防冰涂层具有超疏水性能，能够降低水在疏水层表面的粘附性，从而抑制水滴在防冰涂层表面的结晶、成核，而本实施方式中制备的阻尼吸收材料具有较好的阻尼性能，能够在较宽的温度区域内具有较高的损耗因子，则能够利用材料的微小形变将振动机械能转变为内能，能够降低装置表面结构的共振振幅，增加疲劳寿命和降低噪声，并且，一些恶劣环境下(例如风沙、大风、暴雨以及冰雹等)，还能够在装置表面，对风力作用和雨滴、冰晶的持续击打形成缓冲，保护装置表面不被损坏，实现稳定的防冰效果，从而能够同时兼顾阻尼性能和防冰性能。
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制备阻尼吸收层
将硅酸酯和十七氟三甲氧基乙氧基硅烷按照摩尔比为50:1的比例溶于乙醇溶剂中，在室温下搅拌15min后，将该溶液加入含25％氨水的乙醇溶液中，将所得的混合溶液在室温下继续搅拌15min，清洗、干燥后研磨得到粒径为粒径26±5nm的氟硅烷改性的二氧化硅。分别按照0.6：1、0.8:1、1:1、1.2:1的摩尔比例加入脱水处理后的环氧树脂和聚氨酯，在常温下搅拌10min，得到混合物，再按照混合物：氟硅烷改性的纳米二氧化硅：聚酰胺＝1:0.2:0.5的质量比例称取氟硅烷改性的纳米二氧化硅和聚酰胺，先向混合物中加入氟硅烷改性的纳米二氧化硅，超声分散30min后，再加入聚酰胺，超声分散10min，将得到的阻尼吸收层前驱体涂敷于厚度1mm的碳钢片上，在60℃环境中恒温固化1h后取出得到本实施方式中的阻尼吸收层1、阻尼吸收层2、阻尼吸收层3、阻尼吸收层4。
按照0.8：1的比例加入脱水处理后的环氧树脂和聚氨酯，在常温下搅拌10min，得到混合物，再按照混合物：聚酰胺＝1:0.5的质量比例称取并加入聚酰胺，搅拌均匀后将前驱体涂敷于厚度1mm的碳钢片上，在60℃环境中恒温固化1h后取出得到本实施方式中的阻尼吸收层5。
按照0.8：1的比例加入脱水处理后的环氧树脂和聚氨酯，在常温下搅拌10min，得到混合物，再按照混合物：硅纳米弹簧：聚酰胺＝1:0.2:0.5的质量比例称取硅纳米弹簧和聚酰胺，先向混合物中加入硅纳米弹簧，超声分散30min后，再加入聚酰胺，超声分散10min，将得到的阻尼吸收层前驱体涂敷于厚度1mm的碳钢片上，在60℃环境中恒温固化1h后取出得到本实施方式中的阻尼吸收层6。
1.2制备防冰涂层
将全氟癸基三甲氧基硅烷溶于乙醇，在1.1中制得的阻尼吸收层1-6上涂覆全氟癸基三甲氧基硅烷醇溶液，烘干后得到防冰涂层1-6，再在防冰涂层2表面沉积纳米SiO2粒子得到防冰涂层7。
在厚度1mm的碳钢片的表面直接涂覆全氟癸基三甲氧基硅烷醇溶液，烘干后得到对照样品。
2.材料表征
2.1阻尼性能
将阻尼吸收层1-6夹持于动态热机械分析仪，测试频率为1Hz，升温速率为3℃/min，温度范围为-30℃～40℃。
图1是实验得到的阻尼吸收层的tanδ-Tg的关系折线图。如图1所示，阻尼吸收层1的tanδmax为0.721，tanδmax对应的Tg为-18.4℃，tanδ＝0.3的阻尼温域为29.0℃；阻尼吸收层2的tanδmax为0.728，tanδmax对应的Tg为-8.2℃，tanδ＝0.3的阻尼温域为31.8℃；阻尼吸收层3的tanδmax为0.738，tanδmax对应的Tg为11.8℃，tanδ＝0.3的阻尼温域为34.2℃；阻尼吸收层4的tanδmax为0.742，tanδmax对应的Tg为20.7℃，tanδ＝0.3的阻尼温域为35.9℃；阻尼吸收层5的tanδmax为0.694，tanδmax对应的Tg为-7.86℃，tanδ＝0.3的阻尼温域为30.8℃；阻尼吸收层6的tanδmax为0.751，tanδmax对应的Tg为-7.92℃，tanδ＝0.3的阻尼温域为31.4℃。
综合来看，对比阻尼吸收层1-4，可以看出随着聚氨酯的掺杂比例越高，阻尼吸收层的损耗因子tanδmax也随之升高，玻璃化转变温度Tg降低，特别是阻尼温域的宽度有较大的提升，其中，0.8-1.0的聚氨酯掺杂量能够使得阻尼吸收层在寒冷的结冰环境下仍旧具有较好的阻尼性能。
对比文件阻尼吸收层2、5、6，可以看出改性纳米二氧化硅和硅纳米弹簧等无机填料的掺杂能够大幅提高阻尼吸收层的损耗因子，从而使得阻尼吸收层的防震隔音性能更佳，特别是硅纳米弹簧能够与IPN的分子链缠绕，有效地提升了材料界面滑移时地摩擦内能，从而使得制备的阻尼吸收层具有极佳的阻尼性能。
2.2疏水性能
对防冰涂层1-7进行水滴粘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粘附情况。
在水滴粘附实验中，防冰涂层1-7的静水接触角和滚动角均能够保持在150°和10°左右，特别是防冰涂层7的静水接触角为162°和3.8°，具有极佳的超疏水性能，这是由于防冰涂层7表面具有纳米二氧化硅沉积的超疏水结构，再用针去接触防冰涂层1-7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，表明防冰涂层1-7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，防冰涂层1-7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和自清洁性能。
2.3防冰性能
将防冰涂层1-7和对照样品分别冷却至0℃、-10℃、-20℃、-30℃。具体地，温度控制容器中设置两个夹持装置，分别夹持于防冰涂层两侧，防冰涂层上方设置电连接的振动头和振动信号放大器，振动频率设置为1Hz，防冰涂层下方设置液氮降温，通过调节夹持装置与液氮装置之间的距离控制温度。将夹持装置调节至合适高度后，待防冰涂层上的温度与周围温度一致，将同样大小的冰块(10mm*10mm*10mm)放置在上，并开启振动，保持10min，然后控制夹持装置缓慢地向一侧倾斜，记录冰块滑动时的防冰涂层倾斜的角度为滑动角。
图2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2所示，在0℃以上的温度中防冰涂层1-7和对照样品的滑动角基本不变。对照样品1在低于-10℃的温度中，滑动角开始增加，而本实施方式提供的防冰涂层在低于-10℃的温度中滑动角基本不变，因此本实施方式提供的防冰涂层相较于简单的疏水防冰涂层具有更好的防冰性能。其中，特别地，防冰涂层1在-20℃以上的温度均保持滑动角基本不变，这是由于防冰涂层1具有更低的玻璃化转变温度，能够在较低的温度环境下保持将振动高效率地转化为内能，融化防冰涂层表面接触界面上的少许冰块形成润滑界面，进一步降低冰的粘附性。
将防冰涂层2、5、6冷却至-30℃。具体地，温度控制容器中设置两个夹持装置，分别夹持于防冰涂层两侧，防冰涂层上方设置电连接的振动头和振动信号放大器，振动频率设置为1Hz，防冰涂层下方设置液氮降温，通过调节夹持装置与液氮装置之间的距离控制温度。将夹持装置调节至合适高度后，待防冰涂层上的温度与周围温度一致，将同样大小的冰块(10mm*10mm*10mm)放置在上，并开启振动，分别保持10min、20min和30min，然后控制夹持装置缓慢地向一侧倾斜，记录冰块滑动时的防冰涂层倾斜的角度为滑动角。
图3是表示不同的防冰涂层在不同的振动时间后与滑动角的变化折线图。如图3所示，随着振动时间的增加，防冰涂层的滑动角逐渐降低，说明防冰涂层在持续地将振动机械能转变为内能，内能会使得防冰涂层的表面小幅升温，从而防冰涂层能够在寒冷环境中的长时间的保持优良的除冰性能，提高了防冰涂层的寒冷环境的耐受。
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)

1.一种具有阻尼吸收能力的防冰涂层，其特征在于，包括：
阻尼吸收层，具有阻尼吸收材料；
疏水层，形成于所述阻尼吸收层上表面，至少包括一种或多种高分子疏水材料。
2.如权利要求1所述的具有阻尼吸收能力的防冰涂层，其特征在于，所述阻尼吸收材料至少包括由环氧树脂、聚氨酯和固化剂制得的复合材料，所述环氧树脂与所述聚氨酯的摩尔比例为0.6-1.2。
3.如权利要求2所述的具有阻尼吸收能力的防冰涂层，其特征在于，所述阻尼吸收材料还包括无机填料。
4.如权利要求3所述的具有阻尼吸收能力的防冰涂层，其特征在于，所述无机填料包括氟硅烷改性的纳米二氧化硅颗粒。
5.如权利要求3所述的具有阻尼吸收能力的防冰涂层，其特征在于，所述无机填料包括硅纳米弹簧或碳纳米弹簧。
6.如权利要求2所述的具有阻尼吸收能力的防冰涂层，其特征在于，所述固化剂为聚酰胺固化剂或酚醛改性脂肪胺固化剂。
7.如权利要求1所述的具有阻尼吸收能力的防冰涂层，其特征在于，所述高分子疏水材料为氟聚合物。
8.如权利要求1所述的具有阻尼吸收能力的防冰涂层，其特征在于，所述疏水层还包括由纳米二氧化硅颗粒沉积于所述疏水层的上表面形成的微纳米凸柱结构。
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中任一项所述的具有阻尼吸收能力的防冰涂层。
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