CN117343544A - 一种含低冰点液体的多孔柔性防除冰材料及其制备方法和应用 - Google Patents
一种含低冰点液体的多孔柔性防除冰材料及其制备方法和应用 Download PDFInfo
- Publication number
- CN117343544A CN117343544A CN202311403420.XA CN202311403420A CN117343544A CN 117343544 A CN117343544 A CN 117343544A CN 202311403420 A CN202311403420 A CN 202311403420A CN 117343544 A CN117343544 A CN 117343544A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- porous flexible
- ice
- point liquid
- low
- deicing
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000000463 material Substances 0.000 title claims abstract description 176
- 239000007788 liquid Substances 0.000 title claims abstract description 78
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 15
- 238000007710 freezing Methods 0.000 claims abstract description 54
- 230000008014 freezing Effects 0.000 claims abstract description 46
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 30
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 28
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims abstract description 20
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims abstract description 15
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims abstract description 15
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims abstract description 15
- 239000004205 dimethyl polysiloxane Substances 0.000 claims description 44
- 229920000435 poly(dimethylsiloxane) Polymers 0.000 claims description 44
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims description 33
- 230000001804 emulsifying effect Effects 0.000 claims description 27
- 239000000839 emulsion Substances 0.000 claims description 26
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 claims description 25
- -1 polydimethylsiloxane Polymers 0.000 claims description 25
- XEKOWRVHYACXOJ-UHFFFAOYSA-N Ethyl acetate Chemical compound CCOC(C)=O XEKOWRVHYACXOJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 24
- LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N Ethylene glycol Chemical compound OCCO LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 21
- CPUDPFPXCZDNGI-UHFFFAOYSA-N triethoxy(methyl)silane Chemical compound CCO[Si](C)(OCC)OCC CPUDPFPXCZDNGI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 13
- 239000000741 silica gel Substances 0.000 claims description 12
- 229910002027 silica gel Inorganic materials 0.000 claims description 12
- OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N Methanol Chemical compound OC OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- DNIAPMSPPWPWGF-UHFFFAOYSA-N Propylene glycol Chemical compound CC(O)CO DNIAPMSPPWPWGF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N Isopropanol Chemical compound CC(C)O KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 239000010720 hydraulic oil Substances 0.000 claims description 4
- 229920002545 silicone oil Polymers 0.000 claims description 4
- YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N Fluorine atom Chemical compound [F] YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229920002319 Poly(methyl acrylate) Polymers 0.000 claims description 3
- 239000004698 Polyethylene Substances 0.000 claims description 3
- 239000004743 Polypropylene Substances 0.000 claims description 3
- 239000004372 Polyvinyl alcohol Substances 0.000 claims description 3
- 239000011737 fluorine Substances 0.000 claims description 3
- 229910052731 fluorine Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 150000002576 ketones Chemical class 0.000 claims description 3
- RJMRIDVWCWSWFR-UHFFFAOYSA-N methyl(tripropoxy)silane Chemical compound CCCO[Si](C)(OCCC)OCCC RJMRIDVWCWSWFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229920003229 poly(methyl methacrylate) Polymers 0.000 claims description 3
- 229920000573 polyethylene Polymers 0.000 claims description 3
- 239000004926 polymethyl methacrylate Substances 0.000 claims description 3
- 229920001155 polypropylene Polymers 0.000 claims description 3
- 229920002451 polyvinyl alcohol Polymers 0.000 claims description 3
- 230000002265 prevention Effects 0.000 abstract description 6
- 238000004945 emulsification Methods 0.000 abstract description 4
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 abstract description 3
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 155
- 235000013870 dimethyl polysiloxane Nutrition 0.000 description 42
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 39
- CXQXSVUQTKDNFP-UHFFFAOYSA-N octamethyltrisiloxane Chemical compound C[Si](C)(C)O[Si](C)(C)O[Si](C)(C)C CXQXSVUQTKDNFP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 31
- 238000004987 plasma desorption mass spectroscopy Methods 0.000 description 31
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 20
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 13
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 9
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 8
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 8
- 238000005303 weighing Methods 0.000 description 6
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 4
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 description 4
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 4
- 230000006911 nucleation Effects 0.000 description 4
- 238000010899 nucleation Methods 0.000 description 4
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 3
- 238000001125 extrusion Methods 0.000 description 3
- 238000000465 moulding Methods 0.000 description 3
- 239000013589 supplement Substances 0.000 description 3
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 2
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 2
- 230000006399 behavior Effects 0.000 description 2
- 230000001680 brushing effect Effects 0.000 description 2
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 239000000047 product Substances 0.000 description 2
- 230000002035 prolonged effect Effects 0.000 description 2
- 238000005057 refrigeration Methods 0.000 description 2
- 238000001878 scanning electron micrograph Methods 0.000 description 2
- 238000002791 soaking Methods 0.000 description 2
- 230000003075 superhydrophobic effect Effects 0.000 description 2
- 238000004026 adhesive bonding Methods 0.000 description 1
- 239000002390 adhesive tape Substances 0.000 description 1
- 238000000418 atomic force spectrum Methods 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 238000009833 condensation Methods 0.000 description 1
- 230000005494 condensation Effects 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 230000010485 coping Effects 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000005485 electric heating Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 1
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 1
- 230000003252 repetitive effect Effects 0.000 description 1
- 239000005436 troposphere Substances 0.000 description 1
- 238000012795 verification Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
- C08J9/00—Working-up of macromolecular substances to porous or cellular articles or materials; After-treatment thereof
- C08J9/28—Working-up of macromolecular substances to porous or cellular articles or materials; After-treatment thereof by elimination of a liquid phase from a macromolecular composition or article, e.g. drying of coagulum
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
- C08J9/00—Working-up of macromolecular substances to porous or cellular articles or materials; After-treatment thereof
- C08J9/0014—Use of organic additives
- C08J9/0023—Use of organic additives containing oxygen
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
- C08J9/00—Working-up of macromolecular substances to porous or cellular articles or materials; After-treatment thereof
- C08J9/0014—Use of organic additives
- C08J9/0042—Use of organic additives containing silicon
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
- C08J9/00—Working-up of macromolecular substances to porous or cellular articles or materials; After-treatment thereof
- C08J9/0061—Working-up of macromolecular substances to porous or cellular articles or materials; After-treatment thereof characterized by the use of several polymeric components
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
- C08J2201/00—Foams characterised by the foaming process
- C08J2201/04—Foams characterised by the foaming process characterised by the elimination of a liquid or solid component, e.g. precipitation, leaching out, evaporation
- C08J2201/05—Elimination by evaporation or heat degradation of a liquid phase
- C08J2201/0502—Elimination by evaporation or heat degradation of a liquid phase the liquid phase being organic
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
- C08J2383/00—Characterised by the use of macromolecular compounds obtained by reactions forming in the main chain of the macromolecule a linkage containing silicon with or without sulfur, nitrogen, oxygen, or carbon only; Derivatives of such polymers
- C08J2383/04—Polysiloxanes
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
- C08J2483/00—Characterised by the use of macromolecular compounds obtained by reactions forming in the main chain of the macromolecule a linkage containing silicon with or without sulfur, nitrogen, oxygen, or carbon only; Derivatives of such polymers
- C08J2483/04—Polysiloxanes
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
- C08J2491/00—Characterised by the use of oils, fats or waxes; Derivatives thereof
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Medicinal Chemistry (AREA)
- Polymers & Plastics (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Emergency Medicine (AREA)
- Manufacture Of Porous Articles, And Recovery And Treatment Of Waste Products (AREA)
Abstract
本发明提供一种含低冰点液体的多孔柔性防除冰材料及其制备方法和应用，该多孔柔性防除冰材料由低冰点液体、聚合体和固化剂乳化或公自转耦合离心混合成乳液，再热处理成型得到。该多孔柔性防除冰材料的弹性模量和冰粘附强度均较低，弹性模量为0.09～0.44Mpa，冰粘附强度为3.2Kpa～15.3Kpa，防除冰性能优异，且具有较强的自修复性和稳定性。此外，整个制备过程无需模板的辅助，仅需通过乳化或公自转耦合离心混合，再热处理就能实现材料一步成型，直接获得充满低冰点液体的多孔柔性防除冰材料。该制备方法工序简单，易操作，成本低廉，得到的多孔柔性防除冰材料在低温条件下能够有效降低能耗负担，应对各种复杂环境，在防除冰领域具有极高的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及防除冰材料技术领域，尤其涉及一种含低冰点液体的多孔柔性防除冰材料及其制备方法和应用。
背景技术
自然界中材料表面结冰现象普遍存在，不仅严重威胁设备的安全运行，而且严重影响人类生产和生活的多个方面。在地表，低温高湿环境中服役的风力发电机会由于叶片结冰导致发电效率下降，严重情况下会导致叶片断裂、风机倒塌；此外，低温高湿环境对输电电缆和铁塔的安全运行也是巨大威胁；在空中，低温环境(0℃～-40℃)下，在对流层中飞行的飞机在机翼、发动机、传感器等关键部位容易发生结冰，进而导致空难的发生；在海上，尤其是严冬季节，海上航行的舰船在海浪和水汽凝结的侵袭下，船体表面会形成厚厚的冰霜，冰霜不仅会增加舰体重量、改变舰船重心、阻碍甲板作业，而且严重结冰的军舰将会丧失战斗力。由此可见，材料表面的结冰行为普遍存在，其严重威胁能源、航空、航海等领域相关设备的安全运行，对材料表面结冰行为进行研究具有重要的工程意义。
目前主流的防除冰方法与技术依旧以电加热、机械振动、气囊膨胀、等离子体等主动防除冰方法为主，存在着结构复杂、能源消耗较大、难以应对复杂多变的自然环境等问题。除此之外，应用于防除冰领域的超疏水表面近年来虽然有一定的发展，但在低温、高压、高湿，特别是对于高空中存在大量微米水滴的环境，超疏水材料较低的防除冰稳定性仍未得到有效解决，难以持续发挥作用。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种含低冰点液体的多孔柔性防除冰材料，该多孔柔性防除冰材料由低冰点液体、聚合体和聚合体固化剂乳化或公自转耦合离心混合成乳液，再热处理得到。该多孔柔性防除冰材料以聚合体为主体，低冰点液体为添加剂，在热处理成型过程中，聚合体内形成多孔网络，低冰点液体以液体状态存在于孔洞内部。本发明提供的多孔柔性防除冰材料具有较好的自修复特性和稳定性，且防除冰性能优异。
具体发明内容如下：
第一方面，本发明提供一种含低冰点液体的多孔柔性防除冰材料，所述多孔柔性防除冰材料由低冰点液体、聚合体和固化剂混合而成；
所述低冰点液体选自乙二醇、丙二醇、甲醇、硅油、醋酸乙酯、异丙醇、乙酸乙酯、航空液压油中的一种或多种；
所述聚合体选自聚二甲基硅氧烷、甲基硅胶、酮基硅胶、甲基乙烯基硅胶、氟硅胶、聚乙烯、聚丙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚丙烯酸甲酯中的一种或多种；
所述固化剂选自甲基三乙氧基硅烷和甲基三丙氧基硅烷中的任一种；
所述多孔柔性防除冰材料中，所述低冰点液体的质量百分比为10～40％，所述聚合体的质量百分比为45～85％，所述固化剂的质量百分比为5～15％。
可选地，所述多孔柔性防除冰材料的弹性模量为0.09～0.44Mpa；
所述多孔柔性防除冰材料的冰粘附强度为3.2Kpa～15.3Kpa。
可选地，所述低冰点液体为乙二醇。
可选地，所述聚合体为聚二甲基硅氧烷。
可选地，所述聚固化剂为甲基三乙氧基硅烷。
可选地，所述多孔柔性防除冰材料中，所述低冰点液体的质量百分比为15～40％，所述聚合体的质量百分比为55～70％，所述固化剂的质量百分比为5～15％。
第二方面，本发明提供一种上述第一方面所述多孔柔性防除冰材料的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
S1、将质量比为55～70：5～15：15～40的聚合体、固化剂、低冰点液体依次加入乳化机或公自转耦合离心机中，进行混合、乳化，得到乳液；
S2、将所述乳液转移至75～100℃的环境中，进行1～1.5h的热处理后，得到所述多孔柔性防除冰材料。
可选地，步骤S1中，所述乳化机的工作条件为：转速为5000～10000r/min，时间为2min；
所述离心机的工作条件为：转速为1000～3500r/min，时间为5min。
可选地，步骤S2中，所述热处理的温度为80℃，时间为1h。
第三方面，本发明提供一种上述第一方面所述多孔柔性防除冰材料或上述第二方面所述多孔柔性防除冰材料的制备方法制得的多孔柔性防除冰材料在防除冰领域中的应用。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明提供的一种含低冰点液体的多孔柔性防除冰材料，该多孔柔性防除冰材料由低冰点液体、聚合体和固化剂乳化或公自转耦合离心混合成乳液，再热处理得到。当多孔柔性防除冰材料表面未结冰时，低冰点液体在多孔柔性防除冰材料表面形成一层保护膜，以减少冰晶成核位点，从而延长防冰时间；当多孔柔性防除冰材料表面结冰之后，低冰点液体依旧保持液态，降低冰晶与该防除冰材料之间的粘附面积，从而降低冰粘附强度。并且由于多孔柔性防除冰材料为多孔结构，使得结冰之后，多孔柔性防除冰材料与冰接触的界面处存在缺陷，受力之后因为应力集中效应易产生裂纹，也会降低冰粘附强度。
(2)本发明提供的多孔柔性防除冰材料在热处理成型之后弹性模量较低，受到外力作用后易发生大变形，使得该材料与脆性冰块之间界面处产生应力失配，冰粘附强度降低。试验结果表明，对比例中，未添加低冰点液体的纯PDMS多孔材料和无孔PDMS材料的弹性模量分别为0.45Mpa和1.2Mpa，相比于对比例，本发明实施例提供的多孔柔性防除冰材料的弹性模量低至0.09Mpa。同样地，未添加低冰点液体的纯PDMS多孔材料和无孔PDMS材料的冰粘附强度分别为113Kpa和67Kpa，相比于对比例，本发明实施例提供的多孔柔性防除冰材料的冰粘附强度低至3.2Kpa，具有优异的防除冰性能。此外，本发明实施例提供的多孔柔性防除冰材料在重复多次结冰除冰的过程中，多孔柔性防除冰材料表面的保护膜逐渐消耗，但由于材料的弹性模量较低，易挤压造成变形，使得多孔柔性防除冰材料内部的低冰点液体不断被挤出，对多孔柔性防除冰材料表面消耗的保护膜进行补充，因此，多孔柔性防除冰材料具有自修复特性，能使其表面的冰粘附强度随结冰除冰次数的增加反而逐渐降低，表现出更优的防除冰特性，且稳定性较好。
(3)本发明提供的一种含低冰点液体的多孔柔性防除冰材料的制备方法，通过将低冰点液体、聚合体和固化剂乳化或公自转耦合离心混合，再热处理成型，得到具有自修复特性、防除冰性能优异且稳定性较好的多孔柔性防除冰材料。整个制备过程无需模板的辅助，仅需通过乳化或公自转耦合离心混合，再热处理就能实现材料一步成型，直接获得充满低冰点液体的多孔柔性防除冰材料。该制备方法工序简单，易操作，成本低廉，在防除冰领域具有极高的应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了本发明实施例提供的多孔柔性防除冰材料的制备方法流程图；
图2示出了本发明对比例1提供的纯PDMS多孔材料的SEM图像；
图3示出了本发明实施例和对比例提供的材料的弹性模量测量结果图；
图4示出了本发明实施例和对比例提供的材料的冰粘附力测量装置；
图5示出了本发明实施例和对比例提供的材料的冰粘附力曲线示例图；
图6示出了本发明实施例和对比例提供的材料的冰粘附强度测量结果图；
图7示出了本发明实施例3～4提供的多孔柔性防除冰材料在多次结冰除冰循环的冰粘附强度测量结果图。
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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，任何人在本发明的启示下或是将本发明与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。以及，本领域普通技术人员在没有开展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。
实施例中未注明具体实验步骤或者条件，按照本领域内的现有技术所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。所用试剂以及其他仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规试剂产品。此外，附图仅为本发明实施例的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
基于现有技术中的防除冰方法，存在主动除冰方法能耗大、结构复杂的问题；而以超疏水材料为代表的被动防除冰方法难以应对复杂多变的自然环境，稳定性较差，不能持续发挥作用，本发明实施例提供了一种含低冰点液体的多孔柔性防除冰材料，该多孔柔性防除冰材料由低冰点液体、聚合体和固化剂乳化或公自转耦合离心混合成乳液，再热处理成型得到具有自修复特性、防除冰性能优异且稳定性较好的多孔柔性防除冰材料。
具体的实施方式如下：
第一方面，本发明提供了一种含低冰点液体的多孔柔性防除冰材料，所述多孔柔性防除冰材料由低冰点液体、聚合体和固化剂混合而成；所述多孔柔性防除冰材料中，低冰点液体的质量百分比为10～40％，聚合体的质量百分比为45～85％，固化剂的质量百分比为5～15％。低冰点液体选自乙二醇、丙二醇、甲醇、硅油、醋酸乙酯、异丙醇、乙酸乙酯、航空液压油中的一种或多种；聚合体选自聚二甲基硅氧烷、甲基硅胶、酮基硅胶、甲基乙烯基硅胶、氟硅胶、聚乙烯、聚丙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚丙烯酸甲酯中的一种或多种；固化剂选自甲基三乙氧基硅烷和甲基三丙氧基硅烷中的任一种。该多孔柔性防除冰材料的弹性模量为0.09～0.44Mpa；冰粘附强度为3.2Kpa～15.3Kpa。其中，当低冰点液体为乙二醇，质量百分比为15～40％，聚合体为聚二甲基硅氧烷，质量百分比为55～70％，固化剂为甲基三乙氧基硅烷，质量百分比为5～15％时，多孔柔性防除冰材料的弹性模量为0.1Mpa，冰粘附强度为3.2Kpa，具有最优的防除冰性能，且多次防冰除冰后的防除冰性能仍然较为稳定。
第二方面，本发明提供一种上述第一方面所述多孔柔性防除冰材料的制备方法，图1示出了本发明实施例提供的多孔柔性防除冰材料的制备方法流程图，如图1所示，所述制备方法包括如下步骤：
S1、将质量比为55～70：5～15：15～40的聚合体、固化剂、低冰点液体依次加入乳化机或公自转耦合离心机中，进行混合、乳化，得到乳液；
本步骤具体实施时，将聚合体、固化剂、低冰点液体按照55～70：5～15：15～40的质量比依次加入乳化机进行乳化，或加入离心机中，进行公自转耦合的离心混合，得到乳液。乳化机的工作条件为：转速为5000～10000r/min，时间为2min；离心机的工作条件为：转速为1000～3500r/min，时间为5min。
S2、将所述乳液转移至75～100℃的环境中，进行1～1.5h的热处理后，得到所述多孔柔性防除冰材料。
本步骤具体实施时，将得到的乳液转移到75～100℃的环境中，热处理1～1.5h后，成型，获得多孔柔性防除冰材料。其中，当热处理的温度为80℃，时间为1h时，获得的多孔柔性防除冰材料具有最优异的防除冰性能。
此外，本发明实施例提供的多孔柔性防除冰材料的制备除采用上述离心或乳化、热处理的方法外，还能借助其他易挥发性液体在制备多孔网络之后，通过刷涂或浸泡的方法将低冰点液体填充至多孔结构内。当内部的低冰点液体被消耗之后，再通过刷涂或浸泡的方法重新补充低冰点液体。
第三方面，本发明提供一种上述第一方面所述多孔柔性防除冰材料或上述第二方面所述多孔柔性防除冰材料的制备方法制得的多孔柔性防除冰材料在防除冰领域中的应用。
本发明提供的多孔柔性防除冰材料用于防除冰领域，该多孔柔性防除冰材料通过胶粘、铆钉等方式固定到待保护表面上，当多孔柔性防除冰材料表面未结冰时，低冰点液体在多孔柔性防除冰材料表面形成一层保护膜，以减少冰晶成核位点，从而延长防冰时间；当多孔柔性防除冰材料表面结冰之后，低冰点液体依旧保持液态，降低冰晶与该防除冰材料之间的粘附面积，从而降低冰粘附强度。并且多孔柔性防除冰材料在结冰之后，与冰接触的界面处存在缺陷，受力之后因为应力集中效应易产生裂纹，也会降低冰粘附强度。此外，该多孔柔性防除冰材料的弹性模量小，易变形，能挤压低冰点液体对表面的保护膜进行补充。因此，本发明提供的多孔柔性防除冰材料具有自修复性和稳定性，使得多孔柔性防除冰材料在多次重复防冰除冰后，仍然具有优异的防除冰性能。
为使本领域技术人员更加清楚地理解本发明，现通过以下实施例和试验例对本发明所述的一种含低冰点液体的多孔柔性防除冰材料及其制备方法和应用进行详细说明。
实施例1
步骤一，称取10g的聚二甲基硅氧烷、1g的甲基三乙氧基硅烷、1.22g的乙二醇，利用乳化机在转速为5000～10000r/min的条件下乳化2min，得到乳液；
步骤二，将步骤一中得到的乳液转移至80℃烘箱中热处理60min，得到多孔柔性防除冰材料。
实施例2
步骤一，称取10g的聚二甲基硅氧烷、1g的甲基三乙氧基硅烷、2.75g的硅油，利用乳化机在转速为5000～10000r/min的条件下乳化2min，得到乳液；
步骤二，将步骤一中得到的乳液转移至80℃烘箱中热处理60min，得到多孔柔性防除冰材料。
实施例3
步骤一，称取10g的聚二甲基硅氧烷、1g的甲基三乙氧基硅烷、4.71g的航空液压油，利用乳化机在转速为5000～10000r/min的条件下乳化2min，得到乳液；
步骤二，将步骤一中得到的乳液转移至80℃烘箱中热处理60min，得到多孔柔性防除冰材料。
实施例4
步骤一，称取10g的聚二甲基硅氧烷、1g的甲基三乙氧基硅烷、7.33g的乙酸乙酯，利用乳化机在转速为5000～10000r/min的条件下乳化2min，得到乳液；
步骤二，将步骤一中得到的乳液转移至80℃烘箱中热处理60min，得到多孔柔性防除冰材料。
实施例5
步骤一，称取9.17g的聚二甲基硅氧烷、1.83g的甲基三乙氧基硅烷、1.22g的乙酸乙酯，利用离心机在1000～3500r/min的转速下公自转耦合离心混合5min，得到乳液；
步骤二，将步骤一中得到的乳液转移至80℃烘箱中热处理60min，得到多孔柔性防除冰材料。
对比例1
步骤一，称取10g的聚二甲基硅氧烷、1g的甲基三乙氧基硅烷、1.22g的去离子水，利用离心机在1000～3500r/min的转速下公自转耦合离心混合5min，得到乳液；
步骤二，将步骤一中得到的乳液转移至80℃烘箱中热处理60min，然后提升烘箱温度到180℃，加热15min，使多孔网络中的去离子水蒸发，获得纯PDMS多孔材料。
对比例2
步骤一，称取10g的聚二甲基硅氧烷、1g的甲基三乙氧基硅烷，利用乳化机在转速为5000～10000r/min的条件下乳化2min，得到乳液；
步骤二，将步骤一中得到的乳液转移至80℃烘箱中热处理60min，得到无孔PDMS材料。
图2示出了本发明对比例1提供的纯PDMS多孔材料的SEM图像，由于实施例1～5提供的多孔柔性防除冰材料的孔洞会被低冰点液体填满，用SEM很难清楚观测到其表面形貌，因此，本发明在对比例1中用等质量的去离子水代替低冰点液体与聚合体、聚合体固化剂混合、乳化，后续再加热蒸发掉去离子水，得到既不含水也不含低冰点液体的纯PDMS多孔材料，再用SEM对纯PDMS多孔材料的表面形貌进行表征，以模拟多孔柔性防除冰材料的表面形貌。如图2所示，本发明对比例1提供的纯PDMS多孔材料，一步成型，表面有大量孔洞，大量的低冰点液体能通过孔洞进入纯PDMS多孔材料的内部，得到多孔柔性防除冰材料，发挥防除冰性能。这是因为当多孔柔性防除冰材料表面未结冰时，低冰点液体可以在其表面形成一层保护膜，减少冰晶成核位点，从而延长防冰时间；多孔柔性防除冰材料表面结冰之后，低冰点液体依旧保持液态，降低冰晶与该防除冰材料之间的粘附面积，从而降低冰粘附强度。并且当多孔柔性防除冰材料表面结冰之后，多孔结构使得材料与冰接触界面处存在缺陷，受力之后由于应力集中效应易产生裂纹，从而降低冰粘附强度，提升防除冰性能。
试验例
本试验例用于验证实施例1～5提供的多孔柔性防除冰材料、对比例1提供的纯PDMS多孔材料以及对比例2提供的无孔PDMS材料的弹性模量、冰粘附强度。
(1)材料的的弹性模量
将实施例1～5提供的多孔柔性防除冰材料、对比例1提供的纯PDMS多孔材料以及对比例2提供的无孔PDMS材料，参照GBT1701-2001《硬质橡胶拉伸强度和拉断伸长率的测定》的标准放置在万能试验机上进行弹性模量测量。
试验结果如图3所示。图3示出了本发明实施例1～5和对比例1～2提供的材料的弹性模量测量结果图。其中，实施例1～5提供的多孔柔性防除冰材料，对比例1提供的纯PDMS多孔材料，对比例2提供的无孔PDMS材料。可以看到，实施例1～4提供的多孔柔性防除冰材料的弹性模量分别为0.17、0.12、0.09、0.1Mpa，实施例5、对比例1和对比例2的弹性模量分别为0.44、0.45、1.2Mpa。相较之下，本发明实施例1～4提供的多孔柔性防除冰材料的弹性模量远远低于对比例1～2提供的纯PDMS多孔材料、无孔PDMS材料。一般来说，材料的弹性模量越低，受到外力作用后越易产生大变形，从而使得该材料与脆性冰块之间的界面处发生越严重的应力失配，进而使得冰粘附强度越低，防除冰性能更优异。此外，在结冰除冰过程中，多孔柔性防除冰材料表面由低冰点液体形成的保护膜逐渐被消耗，而低弹性模量的特点使其容易变形，除冰过程中易造成挤压，使得内部的低冰点液体对表面消耗的保护膜进行补充，从而表现出自修复的特性。可见，相比对比例的纯PDMS多孔材料和无孔PDMS材料，本发明实施例提供的多孔柔性防除冰材料具有自修复特性，防除冰性能优异且稳定性好。
(2)材料的冰粘附强度测量
将实施例1～5提供的多孔柔性防除冰材料、对比例1提供的纯PDMS多孔材料以及对比例2提供的无孔PDMS材料放置在冰粘附力测量装置上进行粘附力测量。图4示出了一种冰粘附力测量装置，如图4所示，该冰粘附力测量装置由冰箱1、位移台2、注射器3、制冷台4、粘附力显示仪5组成。位移台2、注射器3和制冷台4放置于-5℃，70％湿度的冰箱1中。具体试验步骤为：
1)打开制冷台4，控制其表面温度至-25℃，将实施例或对比例的待验证材料放置于制冷台4上，并用胶带固定；
2)将尺寸为1cm×1cm×1cm的空心方块放置在实施例或对比例的待验证材料上，并由注射器3向空心方块内滴入足够的水，充满空心方块；
3)待空心方块内的水结冰，控制位移台2以0.1mm/s的速度推动空心方块，并从粘附力显示仪5中获取对应的粘附力曲线图，出现的粘附力曲线示例如图5所示。
4)在粘附力曲线图中取最大值Fmax，按照以下公式计算冰的粘附强度E：
E＝Fmax/A
其中，A为空心方柱的截面积：A＝1cm×1cm。
验证结果如图6所示，图6示出了本发明实施例1～5和对比例1～2提供的材料的冰粘附强度测量结果图。其中，实施例1～5提供的多孔柔性防除冰材料，对比例1提供的纯PDMS多孔材料，对比例2提供的无孔PDMS材料。可以看到，实施例1～5具有极低的冰粘附强度，分别为10、8.2、6.4、3.2、15.3Kpa，对比例1和对比例2的冰粘附强度较高，分别为113Kpa和67Kpa。相较之下，其他条件不变，孔洞中充满低冰点液体的多孔柔性防除冰材料(实施例5)较孔洞中无低冰点液体的纯PDMS多孔材料(对比例1)具有更低的冰粘附强度。并且，多孔柔性防除冰材料(实施例1～5)相比无孔PDMS材料(对比例2)也具有较低的冰粘附强度。其中，实施例1～4和对比例2的冰粘附强度的变化趋势与图3的弹性模量的变化趋势具有较强的相似性，即弹性模量越低，受到外力作用后越发生大变形，从而使得该材料与脆性冰块之间界面处发生越严重的应力失配，冰粘附强度越低，防除冰性能更优异。实施例5和对比例1提供的材料弹性模量数值相当(实施例5的弹性模量为0.44Mpa，对比例1的弹性模量为0.45Mpa)，但冰粘附强度并不一致(实施例5的冰粘附强度为15.3Kpa，对比例1的冰粘附强度为113Kpa)，可见，相比对比例的纯PDMS多孔材料和无孔PDMS材料，本发明实施例1～5提供的多孔柔性防除冰材料具有更优异的防除冰性能。
选用冰粘附强度最低的实施例3和实施例4提供的多孔柔性防除冰材料进行多次结冰除冰循环试验，图7示出了本发明实施例3～4提供的多孔柔性防除冰材料在多次结冰除冰循环的冰粘附强度测量结果图，如图7所示，在进行多次结冰融冰试验时，虽然冰粘附强度大小随结冰除冰循环的次数有所波动，但总体呈现逐渐下降的趋势。这是因为本发明提供的多孔柔性防除冰材料在结冰除冰过程中，材料表面由低冰点液体形成的保护膜逐渐被消耗，但低弹性模量的特点使其容易变形，除冰过程中容易造成挤压，使得内部的低冰点液体对表面消耗的保护膜进行补充，继续发挥防除冰功能。可见，多次重复结冰除冰循环并不会影响多孔柔性防除冰材料的防除冰性能，多孔柔性防除冰材料的防除冰性能的稳定性较高且具有自修复特性。
本发明提供的一种含低冰点液体的多孔柔性防除冰材料，由低冰点液体、聚合体和聚合体固化剂乳化或公自转耦合离心混合成乳液，再热处理成型得到。该多孔柔性防除冰材料以聚合体为主体，低冰点液体为添加剂，在制备成型之后，聚合体内形成多孔网络，低冰点液体以液体状态存在于孔洞内部。当多孔柔性防除冰材料表面未结冰时，低冰点液体在多孔柔性防除冰材料表面形成一层保护膜，以减少冰晶成核位点，从而延长防冰时间；当多孔柔性防除冰材料表面结冰之后，低冰点液体依旧保持液态，降低冰晶与该防除冰材料之间的粘附面积，从而降低冰粘附强度。并且由于多孔柔性防除冰材料为多孔结构，使得结冰之后，多孔柔性防除冰材料与冰接触的界面处存在缺陷，受力之后因为应力集中效应易产生裂纹，也会降低冰粘附强度。
本发明提供的多孔柔性防除冰材料在热处理成型之后弹性模量较低，受到外力作用后容易产生大变形，使得该材料与脆性冰块之间的界面处发生应力失配，冰粘附强度得到降低。此外，本发明实施例提供的多孔柔性防除冰材料在重复多次结冰除冰过程中，表现出自修复特性，防除冰性能优异且稳定性较好。
本发明提供的一种含低冰点液体的多孔柔性防除冰材料的制备方法，通过将低冰点液体、聚合体和聚合体固化剂乳化或公自转耦合离心混合，再热处理成型得到具有自修复特性、防除冰性能优异且稳定性较好的多孔柔性防除冰材料。整个制备过程无需模板的辅助，仅需通过乳化或公自转耦合离心混合，再热处理就能实现材料一步成型，直接获得充满低冰点液体的多孔柔性防除冰材料。该制备方法工序简单，易操作，成本低廉，在防除冰领域具有极高的应用前景。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行结合和组合。
对于方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和部件并不一定是本发明所必须的。
以上对本发明所提供的一种含低冰点液体的多孔柔性防除冰材料及其制备方法和应用进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种含低冰点液体的多孔柔性防除冰材料，其特征在于，所述多孔柔性防除冰材料由低冰点液体、聚合体和固化剂混合而成；
所述低冰点液体选自乙二醇、丙二醇、甲醇、硅油、醋酸乙酯、异丙醇、乙酸乙酯、航空液压油中的一种或多种；
所述聚合体选自聚二甲基硅氧烷、甲基硅胶、酮基硅胶、甲基乙烯基硅胶、氟硅胶、聚乙烯、聚丙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚丙烯酸甲酯中的一种或多种；
所述固化剂选自甲基三乙氧基硅烷和甲基三丙氧基硅烷中的任一种；
所述多孔柔性防除冰材料中，所述低冰点液体的质量百分比为10～40％，所述聚合体的质量百分比为45～85％，所述固化剂的质量百分比为5～15％。
2.根据权利要求1所述的多孔柔性防除冰材料，其特征在于，所述多孔柔性防除冰材料的弹性模量为0.09～0.44Mpa；
所述多孔柔性防除冰材料的冰粘附强度为3.2Kpa～15.3Kpa。
3.根据权利要求1所述的多孔柔性防除冰材料，其特征在于，所述低冰点液体为乙二醇。
4.根据权利要求1所述的多孔柔性防除冰材料，其特征在于，所述聚合体为聚二甲基硅氧烷。
5.根据权利要求1所述的多孔柔性防除冰材料，其特征在于，所述固化剂为甲基三乙氧基硅烷。
6.根据权利要求1所述的多孔柔性防除冰材料，其特征在于，所述多孔柔性防除冰材料中，所述低冰点液体的质量百分比为15～40％，所述聚合体的质量百分比为55～70％，所述固化剂的质量百分比为5～15％。
7.一种上述权利要求1～6任一项所述多孔柔性防除冰材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
S1、将质量比为55～70：5～15：15～40的聚合体、固化剂、低冰点液体依次加入乳化机或公自转耦合离心机中，进行混合、乳化，得到乳液；
S2、将所述乳液转移至75～100℃的环境中，进行1～1.5h的热处理后，得到所述多孔柔性防除冰材料。
8.根据权利要求7所述的多孔柔性防除冰材料的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述乳化机的工作条件为：转速为5000～10000r/min，时间为2min；
所述离心机的工作条件为：转速为1000～3500r/min，时间为5min。
9.根据权利要求7所述的多孔柔性防除冰材料的制备方法，其特征在于，步骤S2中，所述热处理的温度为80℃，时间为1h。
10.权利要求1～6任一项所述的多孔柔性防除冰材料或权利要求7～9任一项所述制备方法制得的多孔柔性防除冰材料在防除冰领域中的应用。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311403420.XA CN117343544A (zh) | 2023-10-26 | 2023-10-26 | 一种含低冰点液体的多孔柔性防除冰材料及其制备方法和应用 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311403420.XA CN117343544A (zh) | 2023-10-26 | 2023-10-26 | 一种含低冰点液体的多孔柔性防除冰材料及其制备方法和应用 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117343544A true CN117343544A (zh) | 2024-01-05 |
Family
ID=89362842
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202311403420.XA Pending CN117343544A (zh) | 2023-10-26 | 2023-10-26 | 一种含低冰点液体的多孔柔性防除冰材料及其制备方法和应用 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117343544A (zh) |
-
2023
- 2023-10-26 CN CN202311403420.XA patent/CN117343544A/zh active Pending
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Yeong et al. | Self-lubricating icephobic elastomer coating (SLIC) for ultralow ice adhesion with enhanced durability | |
| CN102838923B (zh) | 一种有机氟硅氧烷纳米防冻粘涂料及其制备工艺 | |
| CN109503765B (zh) | 纤维素离子导电水凝胶的制备方法及制备得到的水凝胶 | |
| CN103665296B (zh) | 低温低导聚氨酯泡沫、原料组合物、组合聚醚及制备方法 | |
| CN204368433U (zh) | 一种基于sma驱动的机翼除冰装置 | |
| CN105315888A (zh) | 含氟化笼型倍半硅氧烷的室温固化氟硅涂层及制备方法和应用 | |
| CN115260740B (zh) | 复合孔径的高机械性能辐射制冷膜、制备方法及其应用 | |
| CN114773977A (zh) | 可在极端环境下自愈合的抗冰涂层及其制备方法 | |
| EP3358180A1 (en) | Use of phase change materials to delay icing or to cause de-icing in wind turbines | |
| CN117343544A (zh) | 一种含低冰点液体的多孔柔性防除冰材料及其制备方法和应用 | |
| Nguyen et al. | Interfacial parameters in correlation with anti-icing performance | |
| Stenroos | Properties of icephobic surfaces in different icing conditions | |
| CN105658342A (zh) | 冰释放涂层 | |
| CN115353741B (zh) | 多孔pdms浸润有机油凝胶防除冰材料的制备及应用 | |
| Chen et al. | Effect of graphene oxide doping on anti-/deicing performance of shape memory epoxy resin | |
| CN113415428B (zh) | 一种用于除冰的热发泡式冲击力发生器 | |
| CN114739902A (zh) | 材料表面动态冰层拉伸粘附强度的测量装置及方法 | |
| US20220213367A1 (en) | Intelligent anti-icing material and preparation method and use thereof | |
| KR20180048822A (ko) | 열응답성 재료, 열응답성 재료의 제조 방법 및 열제어 장치 | |
| CN102735608A (zh) | 一种冰层结合强度的测试方法 | |
| CN107057575A (zh) | 一种用于极端环境下舰船表面低耗能电热防/除冰系统 | |
| CN117013123A (zh) | 一种拆解装置及方法 | |
| Laforte et al. | Icephobic coating evaluation for aerospace application | |
| CN112629093B (zh) | 一种薄膜热刀、模型表面的生长冰型的去除方法 | |
| CN115214210B (zh) | 一种复合薄膜及其制备方法和在防冰除冰中的应用 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |