一种主动光热除冰的超疏水防覆冰涂料、涂层及其制备与应用

摘要

本发明属于材料表面除冰的技术领域，公开了一种主动光热除冰的超疏水防覆冰涂料、涂层及其制备与应用。所述涂料主要由碳化硅微粉、碳纳米管、粘接剂、疏水剂和溶剂组成，碳化硅微粉与碳纳米管的质量比为0.5～20:1，粘接剂与碳纳米管的质量比为40～100:1，疏水剂与碳纳米管的质量比为4～10:1；粘接剂为硅烷偶联剂，疏水剂为长氟碳链硅烷偶联剂。所述涂层由上述涂料制备而成。所述涂料在防止材料表面覆冰中的应用。本发明的防覆冰涂料制备的涂层延长了过冷液滴结冰时间，降低表面对冰的粘附，在近红外光照射下快速生热，达到快速光热除冰的效果，实现了涂层表面主动光热除冰与被动防覆冰相结合，有利于快速远程除冰。

说明书

技术领域

本发明涉及材料表面工程技术领域，具体涉及一种主动光热除冰的超疏水防覆冰涂料、涂层及其制备方法与应用。

背景技术

冰的形成和堆积容易给设备带来致命性的破坏，如电线电缆、飞机发动机、风力发电机等。2008年，因寒潮引起的南方冰灾给国家带来了超过1500亿的损失，部分地区电线电缆和电话线因结冰不胜重荷而被压断，几公里以致几十公里的电线杆成排倾倒，造成输电、通讯中断，严重影响当地工农业生产。传统的除冰方式主要为高耗能的主动除冰方式，如电加热和机械除冰等，现今研究人员更多地聚焦于设计可以能耗低、环境友好、可以防止表面结冰的材料，即被动防冰材料。

具有粗糙结构的超疏水防覆冰涂层由于其对水具有较高的接触角和低接触滞后，被认为是理想的防覆冰材料，但是在结冰/除冰过程中超疏水的机械耐久性变差，粗糙结构受到破坏。超疏水防覆冰材料仍有待改善。而且现有的防覆冰材料存在着制备过程复杂、功能单一、难以大面积应用等不足之处。

本发明将将碳化硅刚性微粒与碳纳米管用于构建超疏水防覆冰涂料，涂料所形成的涂层既能主动光热除冰又能超疏水防覆冰。本发明的涂料和涂层为多功能防覆冰涂层。

发明内容

为了克服现有技术的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种主动光热除冰的超疏水防覆冰涂料及其制备方法。

本发明的另一目的在于提供主动光热除冰的超疏水防覆冰涂层及其制备方法。所述涂层首次实现了超疏水涂层表面主动光热除冰与被动防覆冰相结合，在涂层表面实现绒毛状碳纳米管纳米结构包覆山峰状碳化硅微米结构的微纳米复合结构，使其不仅具有超疏水特性，而且可以延长表面过冷液滴结冰时间，降低表面对冰的粘附，同时在近红外光(700-1100nm)照射下还可以快速生热，达到快速光热除冰的效果。

本发明的再一目的在于上述主动光热除冰的超疏水防覆冰涂料的应用。所述主动光热除冰的超疏水防覆冰涂料在防止材料表面覆冰中的应用。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种主动光热除冰的超疏水防覆冰涂料，主要由碳化硅微粉、碳纳米管、粘接剂、疏水剂和溶剂组成，其中：碳化硅微粉与碳纳米管的质量比为0.5～20:1，粘接剂与碳纳米管的质量比为40～100:1，疏水剂与碳纳米管的质量比为4～10:1。

所述粘接剂为硅烷偶联剂，结构通式为：

其中，n为1～4的整数。

所述粘结剂优选为硅酸四乙酯。

所述疏水剂为长氟碳链硅烷偶联剂，结构通式为：

其中，m为1～3的整数，n为整数且n≥0，i为5～8的整数。

所述疏水剂优选为全氟癸基三甲氧基硅烷。

所述碳化硅微粉的粒径为200～3000目，优选为2000目。

所述碳纳米管为单壁或多壁碳纳米管，优选羧基化多壁碳纳米管；所述碳纳米管的直径为10～200纳米，优选为100纳米；长度为10～50微米，优选为10微米。

所述溶剂为极性有机溶剂，乙醇、甲醇、异丙醇、乙酸乙酯等，优选为乙醇。

所述主动光热除冰的超疏水防覆冰涂料的制备方法，包括以下步骤：将碳化硅微粉、碳纳米管、粘接剂和疏水剂分散于溶剂中，获得主动光热除冰的超疏水防覆冰涂料。

所述主动光热除冰的超疏水防覆冰涂层的制备方法，包括以下步骤：将碳化硅微粉、碳纳米管、粘接剂和疏水剂在溶剂中分散，形成悬浊液即获得涂料；然后将涂料喷涂在基材表面，获得涂层。喷涂的压力为3～5MPa。

所述基材表面经过预处理；所述预处理为将基材在无水乙醇超声清洗30～60min。所述基材优选为高分子聚合物，金属，玻璃或硅片。

所述主动光热除冰的超疏水防覆冰涂料在防止材料表面覆冰中的应用。

本发明的原理在于：经过喷涂，碳化硅微粉在基材表面无规分布，部分堆叠成微米级山峰状结构，而长条状的碳纳米管在粘接剂的作用下紧紧包覆在碳化硅微粉堆叠形成的山峰状结构表面，形成表面绒毛状纳米结构。碳化硅颗粒作为刚性粒子赋予涂层结构特性与耐水冲击特性。经过微量的疏水剂修饰，低表面能的微米级山峰结构与纳米绒毛结构复合而成的微纳结构具有非常优异的超疏水特性，表面空穴可以有效捕获空气形成气垫，使水滴以稳态Cassie模型与表面接触，同时粘附极低，水滴可以迅速从表面滚落。在涂层表面，由于微纳米结构捕获空气形成气垫，水与涂层间接触面积极大地减小，空气传热效率低，水的结冰时间有效延长，冰粘附力降低。此外，由于碳纳米管在近红外光(700～1100nm)照射下具有很强的光热效应，因而涂层也继承了碳纳米管的光热效应，在近红外光照射下，涂层表面快速升温，从而可以融化表面的覆冰，起到了主动光热除冰的作用，可以实现远程除冰，不破坏涂层表面形貌。

本发明的优点是：本发明工艺简单、设备普通、易于调控、成本低廉。用本发明的方法制备得到的防覆冰涂层首次实现了超疏水涂层表面主动光热除冰与被动防覆冰相结合，在涂层表面实现绒毛状碳纳米管纳米结构包覆山峰状碳化硅微米结构的微纳米复合结构，使其不仅具有超疏水特性，而且可以延长表面过冷液滴结冰时间，降低表面对冰的粘附，同时在近红外光(700-1100nm)照射下还可以快速生热，达到快速光热除冰的效果，实现了涂层表面主动光热除冰与被动防覆冰相结合，有利于实现表面快速远程除冰。

附图说明

图1为实施例1中涂层的正面SEM图；

图2为实施例1中涂层的横截面SEM图；

图3为实施1、实施例2、实施例3的涂层与EVA表面的冰粘附强度图；

图4为本发明的涂层的超疏水与光热除冰机理示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细地描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

称取羧基化多壁碳纳米管(CNTs，南京先丰纳米材料科技公司生产，平均直径：100纳米，长度：10～20微米，纯度：95％)20毫克，碳化硅微粉(SiC，山东金蒙新材料公司生产，2000目，纯度：95％)10毫克，加入到100毫升无水乙醇中，量取正硅酸乙酯(上海麦克林生物化学公司生产，纯度：98％)2毫升，全氟癸基三甲氧基硅烷(上海麦克林生物化学公司生产，纯度：97％)100微升加入到上述无水乙醇中，超声分散30min，得到悬浊液即涂料。

采用醋酸-乙烯酸酯(EVA，法国阿科玛公司生产，牌号EMB 01027A)作为基材，超声清洗30min；用喷枪(马斯特公司，喷嘴口径：2.0mm，出口压力：3bar)将所制得的悬浊液(即涂料)垂直喷在EVA基体上，室温下自然晾干，喷嘴和EVA基体的距离为15cm，即可在EVA表面得到可用于主动光热除冰的超疏水防覆冰涂层。

本实施例所得功能性涂料的超疏水、防覆冰性能和光热性能检测数据如表1所示，表中“EVA表面”是指直接在未涂覆涂层的EVA基材表面进行的测试；表面静态水接触角和滚动角由表面张力仪测试得出；防覆冰性能包括水滴在涂层表面的结冰时间和冰柱在涂层表面的冰粘附强度，其中结冰时间水滴由液相向固相转变的时间，由高速摄像机在低温气候箱内利用拍摄记录，冰黏附强度是冰脱离表面时的粘附强度，由电子拉力计在低温气候箱内测量得出，低温气候箱温度设置为-30℃；光热性能为涂层表面在808nm近红外光(2.5W/cm²)照射下，照射60s时涂层表面的温度(环境温度为30℃)。

表1本实施例的涂料及涂层的性能测试数据

实施例2：

称取羧基化多壁碳纳米管(同实施例1)20毫克，碳化硅微粉40毫克，加入到100毫升无水乙醇中，量取正硅酸乙酯2毫升，全氟癸基三甲氧基硅烷100微升加入到上述无水乙醇中，超声分散30min，得到悬浊液即涂料。

采用醋酸-乙烯酸酯(EVA，同实施例1)作为基材，超声清洗30min，用喷枪(同实施例1)将所制得的悬浊液垂直喷在EVA基体上，室温下自然晾干，喷嘴和EVA基体的距离为15cm，即可在EVA表面得到可用于主动光热除冰的超疏水防覆冰涂层。

本实施例所得功能性涂料的超疏水、防覆冰性能和光热性能检测数据如下表2所示，各项目测试方法与实施例1相同。

表2本实施例的涂料及涂层的性能测试数据

实施例3：

称取羧基化多壁碳纳米管(同实施例1)20毫克，碳化硅微粉100毫克，加入到100毫升无水乙醇中，量取正硅酸乙酯2毫升，全氟癸基三甲氧基硅烷100微升加入到上述无水乙醇中，超声分散30min，得到悬浊液即涂料。

采用醋酸-乙烯酸酯(EVA，同实施例1)作为基材，超声清洗30min，用喷枪(同实施例1)将所制得的悬浊液垂直喷在EVA基体上，室温下自然晾干，喷嘴和EVA基体的距离为15cm，即可在EVA表面得到可用于主动光热除冰的超疏水防覆冰涂层。

本实施例所得功能性涂料的超疏水、防覆冰性能和光热性能检测数据如下表3所示，各项目测试方法与实施例1相同。

表3本实施例的涂料及涂层的性能测试数据

实施例4：

称取羧基化多壁碳纳米管(同实施例1)20毫克，碳化硅微粉40毫克，加入到100毫升无水乙醇中，量取正硅酸乙酯2毫升，全氟癸基三甲氧基硅烷100微升加入到上述无水乙醇中，超声分散30min，得到悬浊液即涂料。

采用低密度聚乙烯(LDPE，中国石化生产，牌号LD608)作为基材，超声清洗30min；用喷枪(同实施例1)将所制得的悬浊液垂直喷在LDPE基体上，室温下自然晾干，喷嘴和LDPE基体的距离为15cm，即可在LDPE表面得到可用于主动光热除冰的超疏水防覆冰涂层。

本实施例所得功能性涂料的超疏水、防覆冰性能和光热性能检测数据如下表4所示，各项目测试方法与实施例1相同。

表4本实施例的涂料及涂层的性能测试数据

以上实施例中羧基化多壁碳纳米管、碳化硅微粉、正硅酸乙酯、全氟癸基三甲氧基硅烷等均可以选用其他厂家生产的结构相同的产品。

通过上述实验数据可知：本发明的涂层的具有非常优秀的超疏水性能，静态水接触角均大于150°，滚动角均低于10°，对比未涂覆涂层的基材，具有涂层的表面结冰时间得到极大延长，冰粘附力显著降低，且具有非常强烈的光热效应，在低功率近红外光的光照条件下60s内即可使温度上升至接近170℃。这些特性表明本发明的涂层可用于超疏水、防覆冰及远程光热除冰。

图1为实施例1中涂层的正面SEM图；图2为实施例1中涂层的横截面SEM图；图3为实施1、实施例2、实施例3的涂层与EVA表面的冰粘附强度图；图4为本发明的涂层的超疏水与光热除冰机理示意图。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制,其他任何的未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均为等效的置换方式都包含在本发明的保护范围之内。