CN1880396A - 抗腐蚀防结冰涂层 - Google Patents

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Abstract

液体和/或固体防结冰填料和/或油一起与抗腐蚀硅树脂和/或碳氟化合物弹性材料结合制备抗腐蚀防结冰涂层。这些涂层可以用于防止在各种燃气涡轮发动机部件、飞行器部件、船只(即大小船只)、电线、电信线等部件上结冰。

Description

抗腐蚀防结冰涂层
发明领域
本发明主要涉及涂层，更具体涉及用于各种部件的抗腐蚀防结冰涂层。
发明背景
在航空领域，飞行器和燃气涡轮发动机结构上结冰已经是一个长久的问题。冰的物理存在能够对螺旋桨，如机翼、风扇叶片、进口导叶、鼓风出口导片等的空气动力学性能产生不利影响。另外，凝结的冰增加的重量可能给部件造成预料不到的负担，而且在极端情况下，甚至可能超出部件的负载能力。而且凝结的冰可能脱落，对飞行器发动机造成严重的破坏。
已经开发出防结冰系统来阻止在各种飞行器部件上的结冰，例如靠近发动机进口的那些部件。一些传统的系统利用发动机中心内的高温气体，其中高温空气被抽送到需要阻止结冰的区域。这种系统具有很多缺点：系统结构复杂、明显增加了发动机的重量、需要复杂的热量管理系统、损失的核心气流导致了发动机效率降低、以及由于高的解冻温度，这些系统通常需要用于构件的昂贵的材料或限定的材料。像这样，对结冰问题的部分解决能够具有很大的经济利益(即如果解冻系统能够更简单、重量减小、和/或为了加热使用更下的中心气流等。)。
防结冰涂层(涂料)(icephobic coating)，即冰不会很好的粘附上面的涂层，可以降低或消除度传统防结冰的需要。然而，一些现有的防结冰涂层基于可能含有固体或液体填料的热塑性或热固性树脂。无保护的热固或热塑性材料典型的具有弱的抗腐蚀性，并且添加的固体或液体填料进一步降低了抗腐蚀性。这是不期望的，因为最需要结冰保护的发动机或飞行器部件位于严重的腐蚀性环境中。因而，需要比现有防结冰涂层具有更好抗腐蚀性能的防结冰涂层。
发明简介
现有的防结冰涂层的上述缺点可以被本发明涉及到改进的防结冰涂层的实施方式克服。液体和/或固体防结冰填料和/或油与抗腐蚀硅树脂和/或碳氟化合物(fluorocarbon)弹性材料相结合，用于生产本发明的抗腐蚀防结冰涂层(涂料)。这些涂层可以具有小于约200kPa的冰附着强度，并且可以用于阻止在各种部件上结冰，例如但不限于气体涡轮发动机部件、飞行器部件、船只(即大小船只)、电力线、电信线等。
这种抗腐蚀防结冰涂层可以包括：(a)含有至少一种硅树脂(silicone)相容油的硅树脂弹性体(silicone elastomer)；(b)含有至少一种硅树脂相容油和至少一种硅树脂相容填料的硅树脂弹性体；(c)包含至少一种分子量为约500-10000的碳氟化合物相容油的碳氟化合物弹性体；(d)包含至少一种碳氟化合物相容填料的碳氟化合物弹性体；(e)包含至少一种分子量为约500-10000的碳氟化合物相容油和至少一种碳氟化合物相容填料的碳氟化合物弹性体；
在以下描述的过程中本发明的进一步详述对本领域技术人员将会变得更加明显。
以下参考附图描述本发明的实施方式，其中附图是显示了用于测试本发明各种实施方式的针形剪切测试装置的示意图。
发明详述
为了更好的理解本发明，现将参考本发明的一些实施方式。为了描述在这里使用的术语是非限制性的。这里详细公开的结构和功能性描述并不是限制性说明，而仅仅作为教导本领域技术人员的根据。作为本领域技术人员通常实施的，在这些描述的结构和方法中所做的一些改进或变化以及这里描述的本发明原理的进一步应用，被认为在如描述和要求的本发明的精神和范围之内。
当参考一些值的数字范围时，这些范围包括在其中的每一个数字和/或片断以及最小和最大之间的声明范围。例如，至多10.0重量％的范围包括约0.0％、约1.0％、约2.0％、约3.0重量％等的所有中间值，一直向上并且包括约9.98％，约9.99％，约9.995％和约10重量％等。这适用于在此讨论的所有数字范围。
本发明涉及具有改进的抗腐蚀性的防结冰涂层。如这里以及全文使用的，“防结冰涂层”既指不粘附冰的涂层，也指相对于底层冰的粘附力得到很大降低的涂层。与现有基于可能含有固体或液体填料的热塑性或热固性树脂的防结冰涂层不同，本发明的防结冰涂层基于含有固体/或液体防结冰油和/或填料的抗腐蚀性弹性材料。
本发明的防结冰涂层可以包含各种充满适当抗结冰添加剂的弹性材料。高强度的硅树脂是一种可以在约-90(-68℃)至约400(240℃)环境下使用的弹性材料。碳氟化合物弹性材料是另一种可以用在约-25(-32℃)至约400(240℃)环境下使用的弹性材料。也可以使用聚氨酯弹性材料，因为它们具有优越的抗腐蚀能力，然而，它们差的高温热稳定性限制了它们只能在约-65(-54℃)至约250(121℃)环境下使用。在实施方式中，理想的可以使用碳氟化合物弹性材料，因为低温碳氟化合物弹性材料，例如VitonGLT，比硅树脂硅树脂弹性体具有更好的高温抗腐蚀性。在另外的实施方式中，硅树脂弹性材料可以令人满意的使用，因为它们比碳氟化合物弹性材料具有更低的冰粘附力。
冰是少数能粘附在多数已知聚合物上的物质中的一种，其中聚合物包括高强度硅树脂弹性材料、碳氟化合物弹性材料、聚氨酯弹性材料、聚四氟乙烯(已知如Telon聚合物的PTFE)等。阻止冰粘附在这些材料上的一种方法包括在材料表面上提供一种流体界面或薄边界层，使得冰不能够粘附在那里。在实施方式中，材料表面上的流体界面或薄边界层提供了小于约200kPa的冰粘附力。
在实施方式中，可以通过用涂层涂覆基底得到部件表面上的薄边界层，其中涂层具有惰性高分子硅树脂聚合物油(即聚二甲基硅氧烷、聚甲基苯基硅氧烷、和/或聚三氟丙基甲基硅氧烷等)，与一种硅树脂弹性材料(即铂固化的乙烯基封端(terminated)的聚二甲基硅氧烷、过氧化物固化的乙烯基封端的聚二甲基硅氧烷、聚苯基甲基硅氧烷、聚三氟丙基甲基硅氧烷等)。在实施方式中，可以使用至多约10重量％的这种油。这种油在硅树脂弹性材料中具有部分至全部相容性，并且不会很快向弹性材料外扩散。即这种油将保留在硅树脂弹性材料的体相中，并且在涂层的整个寿命(即厚度)中提供有用的防结冰性能。
在另一实施方式中，通过在基底上涂覆一层涂层得到部件表面上的一层薄边界层，其中涂层具有氟代烃或全氟代烃油(即已知如Krytox氟化润滑剂的全氟烃基醚)，加入到低温碳氟化合物弹性材料中(即偏二氟乙烯、四氟乙烯、全氟甲基乙烯基醚、全氟乙醚(perfluoroether)、六氟丙稀等)，在实施方式中，可以使用具有至多10重量％的分子量为约500-10000原子质量单位的这种油。
在另一实施方式中，可以通过在基底上涂覆低温碳氟化合物涂层得到部件表面上的薄边界层，其中涂层具有碳氟化合物相容的填料，能够降低从弹性材料上脱落冰所需的能量。这种填料可以包括非常低附着的填料，例如细PTFE粉末(即Teflon聚合物粉末)，和/或具有很弱断裂面的填料，例如石墨、硫化钼和/或类似的无机氧化物。
在另一实施方式中，可以通过在基底上涂覆弹性硅树脂涂层得到部件表面上的薄边界层，其中涂层具有硅树脂相容油和加入的硅树脂相容填料。这种填料可以包括非常低粘附填料，例如细PTFE粉末(即Teflon聚合物粉末)，和/或具有很弱断裂面的填料，例如石墨、硫化钼和/或类似的无机氧化物。另外，这种填料可以包括一种或多种化学处理过的填料，例如羟基或乙烯基处理的热解法二氧化硅、石英和/或沉积玻璃，这有助于油均匀分散在弹性材料中并且在整个弹性材料中持久保存，使得油不会向外扩散，因而在涂层的整个寿命(即厚度)中提供了有用的防结冰属性。这种油可以包括聚二甲基硅氧烷、聚甲基苯基硅氧烷、和/或聚三氟丙基甲基硅氧烷等。
在另一实施方式中，可以通过在基底上涂覆碳氟化合物弹性涂层得到部件表面上的薄边界层，其中涂层具有碳氟化合物相容油和加入的碳氟化合物相容填料。这种填料可以包括非常低粘附填料，例如细PTFE粉末(即Teflon聚合物粉末)，和/或具有很弱断裂面的填料，例如石墨、硫化钼和/或类似的无机氧化物。这样的油可以包括全氟烷基醚(perfluoroalkylether)(已知如Krytox氟化润滑剂)等。在实施方式中，可以使用具有至多约10重量％的分子量为约500-10000原子质量单位的这种油。
本发明的防结冰涂层(涂料)可以以任何合适的方式施加到部件上，例如但不局限于，通过传统的溶剂辅助的喷涂、静电喷涂、刷涂、浸涂、和/或在薄片粘接等。这些涂层施加后，可以在温度在约140至约350的烘箱中固化，以除去溶剂并产生交联弹性体。
本发明的防结冰涂层可以用在各种部件上，其中部件包括合适的材料，例如但不局限于：铝、钛、钢、玻璃、陶瓷、复合物、镁、和/或基于镍或钴的高温合金(superalloy)等。一些示例性部件包括但不局限于：气体涡轮发动机部件(即定子、导向叶片、进口、头锥体、风扇叶片、前沿结构(leading edge structure)等)、飞行器部件(即机翼、机身、推进器等)、船只(即大小船只)、电力线、电信线等。
实施例
制备本发明的各种防结冰涂层，通过在铝钉上涂覆一层示例性的防结冰涂层来测试涂层各自的冰粘附强度。如图所示，将每个涂覆后的铝钉10放置在零度锥形测试装置20内，然后在装置20内每个涂覆的铝钉10上生长出一层10±2密耳厚的冰层30，其中冰层在铸模40与涂覆铝钉10之间的圆柱形缝隙内生长。通过将装置20的温度设置在-10±10大约6±1小时来生长冰层30。此后，通过铝钉剪切测试来定量测定每个涂覆铝钉10上的冰粘附强度。铝钉剪切测试包括在铸模的底部42挤压铸模，同时箭头A的方向上轴向压迫铝钉。这使冰层30受到剪切力，从而测定出冰层从每个涂覆铝钉10上脱落时的负荷。
测评不同的碳氟化合物弹性涂层。基础碳氟化合物弹性材料是一种偏二氟乙烯、四氟乙烯和全氟甲基乙烯基醚(perfluoromethylvinylether)(已知如PLV3198VitonGLT)的溶剂化三元共聚物。生产9种不同的涂层并将它们涂覆到铝钉样品上，一种涂层不包含填料或油并且作为未填充的基线，其它8种涂层结合有如表1所示的不同的DuPont Krytox氟化油。Krytox143AB具有约3700原子质量单位的分子量。Krytox143AD具有约8250原子质量单位的分子量。KrytoxFSH具有约7000-7500原子质量单位的分子量。KrytoxFSL具有约2500原子质量单位的分子量。
表1
  试样#   填料  平均铝钉剪切力(kPa)
  8   3重量％KrytoxFSL   115
  7   10重量％KrytoxFSH   163
  3   10重量％Krytox143AB   167
  4   3重量％Krytox143AD   217
  1   无-未填充基线   242
  2   3重量％krytox143AB   244
  6   3重量％KrytoxFSH   252
  9   10重量％KrytoxFSL   278
  5   10重量％Krytox143AD   384
通过助溶剂喷涂在每个剪切测试的钉上喷涂约0.011”厚的涂层试样，然后将每个涂覆铝钉在300下加工处理约2小时。每个涂层试样涂覆3个涂覆铝钉。一旦被涂覆后，每个铝钉都在如图所示的装置中进行如上测试。平均铝钉剪切力是冰附着力的测量标准。越低的的平均铝钉剪切力意味着从钉上剥离冰所需的能量越少，使得集结冰的可能性越少。Teflon聚合物具有约238kPa的平均铝钉剪切力，其是已知对于固体材料来说最低的值。但是，对于气体涡轮发动机中的应用，Teflon聚合物不足以阻止冰的凝结，同样在航空合成材料部件上应用也比较困难。如上表1中所示的平均剪切力，试样8、7、3和4显示了比Teflon聚合物低的冰附着力，而试样1、2、6、9和5显示了比Teflon聚合物高的冰附着力，这非常有意义，因为碳氟化合物抗腐蚀涂层可以非常容易的以各种方式应用到复合物和金属结构上，例如通过溶剂辅助的喷涂、静电喷涂、浸涂、用液态碳氟化合物刷涂、共固化(co-curing)和/或在薄片粘接等。碳氟化合物抗腐蚀涂层也可以提供优秀的航空液压油抵抗力。
各种硅树脂弹性涂层也被测评，基础硅树脂弹性材料是MED10-6640，一种来自NuSil Technology的铂固化的乙烯基封端(terminated)的聚二甲基硅氧烷。生产7种不同的涂层并将它们涂覆到铝钉样品上，一种涂层不包含填料或油并且作为未填充的基线，其它6种涂层结合有如表II所示的各种油/流体。“Me2流体”是一种100000cps的聚二甲基硅氧烷流体，从Nusil Silicone Technology得到。“Gum Me2流体”是一种高粘度的(即高于约100000cps)的聚二甲基硅氧烷流体，从Nusil Silicone Technology得到。“Phenyl Me流体”是一种100000cps的聚苯基甲基硅氧烷流体，从Nusil Silicone Technology得到。“Fluorosilicone流体”是一种100000cps的聚三氟丙基甲基硅氧烷流体，从Nusil Silicone Technology得到。
表II
  试样#   填料 平均铝钉剪切力(kPa)
  14   10重量％Gum Me2流体   40
  12   10重量％Me2流体   53
  10   无-未填充基线   58
  11   3重量％Me2流体   62
  13   3重量％Gum Me2流体   67
  16   3重量％Fluorosilicone流体   75
  15   3重量％Phenyl Me流体   91
通过助溶剂喷涂在每个剪切测试的钉上施加约0.011-0.013”厚的涂层试样，然后将每个涂覆铝钉在350下固化约2小时。每个涂层试样涂覆3个涂覆铝钉。一旦被涂覆后，每个铝钉都在如图所示的装置中进行如上测试。如上表II中所示的平均剪切力，所用试样都显示了比Teflon聚合物明显低的冰附着力，这非常有意义，因为作为一种溶液，硅树脂抗腐蚀涂层可以非常容易的以各种方式应用到复合物和金属结构上，例如通过传统的溶剂辅助喷涂、静电喷涂、刷涂、浸涂、和/或在薄片粘接等。碳氟化合物抗腐蚀涂层也抵制航空液压油的腐蚀。
如上所述，本发明提供了用于各种部件的抗腐蚀防结冰涂层。有利的，与现有的防结冰涂层相比，这些涂层具有更低的冰附着力，相当或更好的抗腐蚀性，使得它们在各种应用中更令人满意，例如燃气涡轮发动机部件上，如定子、导向叶片、进口、头锥体、风扇叶片、前沿结构等。一些其它的实施方式和优点对相关领域的技术人员来说是显而易见的。
本发明的各种实施方式已经在实现本发明满足的各种需求时进行了描述。应当认识到这些实施方式仅仅是对本发明的不同实施方式原理性的描述。在不背离本发明精神和范围的情况下，其中的一些改进和修改对本领域技术人员来说是显而易见的。因此，这意味着本发明函盖了所有来自附加的权利要求和与它们相当的范围内进行的适当的改进和变化。

Claims (23)

1、一种抗腐蚀防结冰涂层，包括至少一种以下物质：
含有至多约10重量％聚二甲基硅氧烷流体的硅树脂弹性体；
含有至多约10重量％聚甲基苯基硅氧烷流体的硅树脂弹性体；
含有至多约10重量％聚三氟丙基甲基硅氧烷流体的硅树脂弹性体；
含有至多约10重量％的分子量为约500-10000的氟代烃油的碳氟化合物弹性体；
含有至多约10重量％的分子量为约500-10000的全氟代烃油的碳氟化合物弹性体。
2、权利要求1的抗腐蚀防结冰涂层，其中硅树脂弹性体包括至少一种以下物质：铂固化的乙烯基封端的聚二甲基硅氧烷、过氧化物固化的乙烯基封端的聚二甲基硅氧烷、聚苯基甲基硅氧烷、聚三氟丙基甲基硅氧烷。
3、权利要求1的抗腐蚀防结冰涂层，其中碳氟化合物弹性体包括至少一种以下物质：偏二氟乙烯、四氟乙烯、全氟甲基乙烯基醚、全氟乙醚和六氟丙稀。
4、权利要求1的抗腐蚀防结冰涂层，其中氟代烃油包括全氟烷基醚油。
5、权利要求1的抗腐蚀防结冰涂层，其中流体和油分散在整个弹性体内，在抗腐蚀防结冰涂层的整个寿命中提供防结冰属性。
6、权利要求1的抗腐蚀防结冰涂层，其中抗腐蚀防结冰涂层具有小于约200kPa的冰附着力。
7、一种涂覆有权利要求1的抗腐蚀防结冰涂层的部件。
8、权利要求7的部件，其中部件包括至少以下至少一种部件：飞行器部件、燃气涡轮发动机部件、船只部件、电力线、电信线。
9、权利要求7的部件，其中部件至少包括以下至少一种部件：定子、导向叶片、进口、头锥体、风扇叶片、机翼、机身和推进器。
10、权利要求7的部件，其中部件至少包括以下至少一种铝、钛、钢、玻璃、陶瓷、复合物、镁、镍基的高温合金和钴基的高温合金。
11、一种抗腐蚀防结冰涂层，包括至少一种以下物质：
含有至少一种硅树脂相容油的硅树脂弹性体；
含有至少一种硅树脂相容油和至少一种硅树脂相容填料的硅树脂弹性体；
含有至少一种分子量为约500-10000原子质量单位的碳氟化合物容油的碳氟化合物弹性体；
含有至少一种碳氟化合物相容填料的碳氟化合物弹性体；和
含有至少一种的碳氟化合物相容油，其分子量为约500-10000原子质量单位，以及至少一种碳氟化合物相容填料的碳氟化合物弹性体；
12、权利要求11的抗腐蚀防结冰涂层，其中硅树脂弹性体包括至少一种以下物质：铂固化的乙烯基封端的聚二甲基硅氧烷、过氧化物固化的乙烯基封端的聚二甲基硅氧烷、聚苯基甲基硅氧烷、聚三氟丙基甲基硅氧烷。
13、权利要求11的抗腐蚀防结冰涂层，其中硅树脂相容油包括至少一种如下物质：聚二甲基硅氧烷流体、聚甲基苯基硅氧烷流体、和聚三氟丙基甲基硅氧烷流体。
14、权利要求11的抗腐蚀防结冰涂层，其中硅树脂相容填料包括至少一种如下物质：PTFE、石墨、硫化钼、无机氧化物、石英、沉积玻璃、羟基处理的热解法二氧化硅、和乙烯基处理的热解法二氧化硅。
15、权利要求11的抗腐蚀防结冰涂层，其中碳氧化合物弹性体包括至少一种以下物质：偏二氟乙烯、四氟乙烯、全氟甲基乙烯基醚、全氟乙醚和六氟丙稀。
16、权利要求11的抗腐蚀防结冰涂层，其中碳氟化合物相容油包括全氟烷基醚油。
17、权利要求11的抗腐蚀防结冰涂层，其中碳氟化合物相容填料包括至少一种如下物质：PTFE、石墨、硫化钼和无机氧化物。
18、权利要求11的抗腐蚀防结冰涂层，其中抗腐蚀防结冰涂层具有小于约200kPa的冰附着力。
19、权利要求11的抗腐蚀防结冰涂层，其中任何填料或油分散在整个弹性体内，以在抗腐蚀防结冰涂层的整个寿命中提供抗结冰属性。
20、一种涂覆有权利要求11的抗腐蚀防结冰涂层的部件。
21、权利要求20的部件，其中部件包括以下至少一种：飞行器部件、燃气涡轮发动机部件、船只部件、电力线和电信线。
22、权利要求20的部件，其中燃气涡轮发动机部件至少包括以下一种：定子、导向叶片、进口、头锥体、风扇叶片、机翼、机身和推进器。
23、一种用冰附着力小于约200kPa的抗腐蚀防结冰涂层涂覆的部件，其中所述涂层包括以下至少一种：
含有硅树脂相容油和硅树脂相容填料中的至少一种的硅树脂弹性体；
含有碳氟化合物相容油和碳氟化合物相容填料中的至少一种的碳氟化合物弹性体。
CNA2006100958020A 2005-06-13 2006-06-13 抗腐蚀防结冰涂层 Pending CN1880396A (zh)

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