專利名稱：具有低冰粘附力的防覆冰涂料及其制法和應用的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于化學化工、材料技術領域，涉及一類具有低冰粘附力的防覆冰涂料及其制法和應用。
背景技術：
能源問題是制約經濟發(fā)展的世界性問題。在自然界中，結冰或結霜是十分普遍的現象，當空氣中的水蒸氣接觸到溫度低于冰點溫度的基材表面時，就會發(fā)生相變結霜的的現象，但是在生產生活中結冰或結霜會造成不必要的能源的浪費，導致安全隱患甚至產生災難性的事故，對人們的生產生活產生了極大的影響:如2003年包頭空難中，飛機在機場過夜時機翼因結霜未除造成飛機墜毀；2008年初，我國南方部分地區(qū)遭受了歷史罕見的低溫雨雪冰凍災害，導致電網設施遭受嚴重破壞，電網陸續(xù)發(fā)生輸電線路倒桿、倒塔、斷線等情況，引起大范圍的電力供應中斷，給工農業(yè)生產和人民群眾生活帶來了嚴重影響，直接經濟損失達上千億元。2010年美國大陸航空公司一架客機因機翼結冰而導致墜毀。因此研究冷基材表面上的結霜或結冰機理，探索有效的除霜除冰的方法一直倍受國內外學者的關注。盡管經過幾十年來的國內外學者進行了大量的實驗和理論研究，取得許多學術成果，但是在防結冰/霜材料上的研究仍未能取得突破性的進展。目前，對于防結冰的材料的研究主要分為兩大類的方法，第一大類是采取主動的方法，常見的有以下幾種:(I)機械除冰:即通過適當的除冰工具進行除冰，很明顯，雖然成本低但是會耗費大量的人力物力，并且這種方法受天氣和地域限制，無法大面積推廣使用，受到一定局限；(2)加熱除冰法:包括電熱除冰(CN 101120217A ；CN 102136710A)和光熱除冰(CN101499635A ;CN 101562320A)等方法，但是這兩種方法由于其能耗比較大，技術工藝仍需完善而限制了其推廣和應用；(3)化學添加劑:添加劑通常為鹽類如氯化鈉或液體如乙二醇等，加入添加劑后使水的凝固點降低從而起到防結冰的效果，但是這種方法使用的溫度范圍有限 ，并且會污染土壤，破壞環(huán)境，世界上很多國家已經減少添加劑的使用；生化的方法:通過提取生物體內的抗凍蛋白(Devries,A.L.；ffohlschlag,D.E.Science1969，163，1073-1075 ；Hargens, A.R.，Science，1972，176，184-186 ;Davies，P.;Hew，C.FASEB J.1990，4，2460-2468 ;Esser_Kahn A.P.；Trang V.；Francis M.B.J.Am.Chem.Soc.2010，132，13264-13269)用于防結冰，很明顯這種方法的成本較高，目前雖然在實驗中取得了一定的進展，但要大面積推廣和應用還有許多技術問題需要解決。第二大類是采取被動的辦法，在基材表面涂上防冰霜涂層，主要有兩種防冰霜材料:(I)親水性防冰霜材料(CN 1061987A ；CN 1044947A ；CN 1048053A ；CN 1104674A ；CN 1632014A ；CN 1916094A)，親水涂層可吸附大量的水，并且加入乙二醇等降低凝固點實現防冰霜的作用，但親水材料使用的溫度及濕度范圍有限，并且污染后會降低甚至失去防結冰的功能；(2)疏水性防冰霜材料(CN 1556161A ；CN 101307208A)，疏水性或超疏水性基材表面由于其具有較低的表面能，水滴在光滑的疏水基材表面上不能完全鋪展，水滴與基材表面的接觸面積較小，當水滴在基材表面的接觸角隨著基材表面能的降低而增加時，水滴與基材表面的接觸面積就逐漸減小，從而降低了基材表面與水滴之間的熱傳導，延緩了水滴的凝固，但是隨著時間的增長和溫度的降低，疏水材料便失去了防冰霜的作用。因此不論是采取主動的方法還是被動的方法均具有一定的局限性，當環(huán)境溫度降至更低或當基材表面受到污染后，基材表面的涂層就會失去防覆冰的作用。根據文獻(KoopT.；Luo B.P.；Tsias A.；Peter T.Nature 2000，406，611-614)中的報道，當電解質溶液中電離出的離子的濃度為5 lOmol/kg時，水的凝固點降低至_50°C _70°C，因此本案發(fā)明人制備了具有低冰粘附力的防覆冰涂料，該防覆冰涂料由無機材料和交聯的親水性聚電解質組成。將無機材料和交聯的親水性聚電解質混合并球磨，然后涂覆在基材上成膜固化得到防覆冰涂層。其中無機材料提高了所述防覆冰涂層表面的機械性能和耐磨性，而交聯的親水性聚電解質吸水后電離出大量的離子，高濃度的離子溶液降低了水的冰點而使防覆冰涂層的表面形成不結冰的水膜，這樣相當于在冰與防覆冰涂層的表面之間引入了一層潤滑層，使得基材表面的冰層在重力或風力的作用下脫離基材表面，達到防覆冰的效果。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供具有低冰粘附力的防覆冰涂料。本發(fā)明的另一目的在于提供一種具有低冰粘附力的防覆冰涂料的制備方法

本發(fā)明的還一目的在于提供具有低冰粘附力的防覆冰涂料的應用。本發(fā)明的具有低冰粘附力的防覆冰涂料能使冰與涂覆有該防覆冰涂料的基材表面具有超低冰粘附力(相當于在冰與涂層的表面之間提供了一個潤滑層，使冰粘附力大大降低，并能使結冰后的冰層很容易脫離基材表面)，所述的防覆冰涂料是由無機材料和交聯的親水性聚電解質組成，按質量百分比計，無機材料占所述防覆冰涂料總質量的10% 30 %，親水性聚電解質占所述防覆冰涂料總質量的70 % 90 %。所述的無機材料選自硅藻土、硅膠、活性氧化鋁、活性炭、粘土、蒙脫土中的一種或幾種。所述的交聯的親水性聚電解質是將質量分數為30 % 60 %的親水性聚電解質單體、質量分數為1% 5%的交聯劑、質量分數為1% 5%的硅烷偶聯劑促進劑和質量分數為0.1% 0.5%的引發(fā)劑溶解在余量的有機溶劑中形成溶液，攪拌均勻后，在光照(如10mw/cm2 30mw/cm2 (波長為365nm))條件下由所述的引發(fā)劑引發(fā)自由基聚合反應得到。所述的親水性聚電解質單體為陽離子單體，其結構式為:
權利要求
1.一種具有低冰粘附力的防覆冰涂料，其特征是:所述的防覆冰涂料是由無機材料和交聯的親水性聚電解質組成，按質量百分比計，無機材料占所述防覆冰涂料總質量的10 % 30%，交聯的親水性聚電解質占所述防覆冰涂料總質量的70 % 90% ; 所述的無機材料選自硅藻土、硅膠、活性氧化鋁、活性炭、粘土、蒙脫土中的一種或幾種。
2.根據權利要求1所述的具有低冰粘附力的防覆冰涂料，其特征是:所述的交聯的親水性聚電解質是由以下方法制備得到的:將質量分數為30% 60%的親水性聚電解質單體、質量分數為1% 5%的交聯劑、質量分數為I % 5%的硅烷偶聯劑促進劑和質量分數為0.1% 0.5%的引發(fā)劑溶解在余量的有機溶劑中形成溶液，攪拌均勻后，在光照條件下由所述的引發(fā)劑引發(fā)自由基聚合反應得到； 所述的親水性聚電解質單體為陽離子單體，其結構式為:
3.根據權利要求2所述的具有低冰粘附力的防覆冰涂料，其特征是:所述的交聯劑選自二乙烯基苯、二苯甲烷二異氰酸酯、N，N-亞甲基雙丙烯酰胺、1，1，2，2_四烯丙氧基乙烷、甲基丙烯酸烯丙酯、三羥甲基丙烷三甲基丙烯酸酯、乙二醇二甲基丙烯酸酯、三乙二醇二甲基丙烯酸酯、I，4- 丁二醇二甲基丙烯酸酯中的一種或幾種。
4.根據權利要求2所述的具有低冰粘附力的防覆冰涂料，其特征是:所述的硅烷偶聯劑促進劑選自乙稀基二甲氧基娃燒、乙稀基二乙氧基娃燒、稀丙基二甲氧基娃燒、稀丙基二乙氧基硅烷、Y -甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷、Y -甲基丙烯酰氧丙基三乙氧基硅烷和甲基丙烯酰氧丙基三(異丙氧基)硅烷中的一種或幾種。
5.根據權利要求2所述的具有低冰粘附力的防覆冰涂料，其特征是:所述的引發(fā)劑選自苯基雙(2，4，6_三甲基苯甲酰基)氧化膦，2-羥基-2-甲基-1-苯基丙酮、1-羥基環(huán)己基苯基甲酮、2-甲基-2-(4-嗎啉基)-1-[4-(甲硫基)苯基]-1-丙酮、2，4，6_三甲基苯甲酰基-二苯基氧化膦、2，4，6_三甲基苯甲酰基苯基膦酸乙酯、2-二甲氨基-2-芐基-l-[4-(4-嗎啉基)苯基]-1-丁酮和2-羥基-2-甲基-l-[4-(2-羥基乙氧基)苯基]-1-丙酮中的一種或幾種； 所述的有機溶劑選自甲醇、乙醇、異丙醇、丁醇、四氯化碳中的一種或幾種。
6.一種具有低冰粘附力的防覆冰涂料的制備方法，其特征是:所述的制備方法包括以下步驟: (1)交聯的親水性聚電解質的制備:將質量分數為30% 60%的親水性聚電解質單體、質量分數為1% 5%的交聯劑、質量分數為I % 5%的硅烷偶聯劑促進劑和質量分數為0.1% 0.5%的引發(fā)劑溶解在余量的有機溶劑中形成溶液，攪拌均勻后，在光照條件下由所述的引發(fā)劑引發(fā)自由基聚合反應，得到所述的交聯的親水性聚電解質； (2)防覆冰涂料的制備:將占防覆冰涂料總質量10% 30%的無機材料，與占防覆冰涂料總質量70% 90%的由步驟(I)制備得到的交聯的親水性聚電解質混合并球磨，得到所述的防覆冰涂料； 所述的無機材料選自硅藻土、硅膠、活性氧化鋁、活性炭、粘土、蒙脫土中的一種或幾種； 所述的親水性聚電解質單體為陽離子單體，其結構式為:
7.根據權利要求6所述的方法，其特征是:所述的交聯劑選自二乙烯基苯、二苯甲烷二異氰酸酯、N，N-亞甲基雙丙烯酰胺、1，1，2，2_四烯丙氧基乙烷、甲基丙烯酸烯丙酯、三羥甲基丙烷三甲基丙烯酸酯、乙二醇二甲基丙烯酸酯、三乙二醇二甲基丙烯酸酯、1，4-丁二醇二甲基丙烯酸酯中的一種或幾種。
8.根據權利要求6所述的方法，其特征是:所述的硅烷偶聯劑促進劑選自乙烯基三甲氧基娃燒、乙稀基二乙氧基娃燒、稀丙基二甲氧基娃燒、稀丙基二乙氧基娃燒、Y ~甲基丙稀酰氧丙基三甲氧基硅烷、Y-甲基丙烯酰氧丙基三乙氧基硅烷和甲基丙烯酰氧丙基三(異丙氧基)硅烷中的一種或幾種。
9.根據權利要求6所述的方法，其特征是:所述的引發(fā)劑選自苯基雙(2，4，6_三甲基苯甲酰基)氧化膦，2-羥基-2-甲基-1-苯基丙酮、1-羥基環(huán)己基苯基甲酮、2-甲基-2-(4-嗎啉基)-1_[4-(甲硫基)苯基]-1-丙酮、2，4，6-三甲基苯甲酰基-二苯基氧化膦、2，4，6-三甲基苯甲酰基苯基膦酸乙酯、2- 二甲氨基-2-芐基-l-[4-(4-嗎啉基)苯基]-1- 丁酮和2-羥基-2-甲基-1- [4- (2-羥基乙氧基)苯基]-1-丙酮中的一種或幾種； 所述的有機溶劑選自甲醇、乙醇、異丙醇、丁醇、四氯化碳中的一種或幾種。
10.一種根據權利要求1 5任意一項所述的具有低冰粘附力的防覆冰涂料的應用，其特征是:將所述的防覆冰涂料直接涂覆在基材表面、干燥成膜并固化，得到具有低冰粘附力的防覆冰涂層。
11.根據權利要求10所述的應用，其特征是:當環(huán)境溫度及環(huán)境濕度能夠導致基材表面結冰時，所述的防覆冰涂層中的交聯的親水性聚電解質吸水后使防覆冰涂層的表面形成不結冰的水膜。
12.根據權利要求11所述的應用，其特征是:所述的環(huán)境溫度是0°C _40°C;所述的環(huán)境濕度是40 % 80%。
13.根據權利要求10或11所述的應用，其特征是:所述的基材是銅、鐵、鋁或玻璃。
全文摘要
本發(fā)明屬于化學化工、材料技術領域，涉及一類具有低冰粘附力的防覆冰涂料及其制法和應用。本發(fā)明的防覆冰涂料是由無機材料和交聯的親水性聚電解質組成。將無機材料和交聯的親水性聚電解質混合并球磨，然后涂覆在基材上成膜固化得到防覆冰涂層。其中無機材料提高了所述防覆冰涂層表面的機械性能和耐磨性，而交聯的親水性聚電解質吸水后電離出大量的離子，高濃度的離子溶液降低了水的冰點而使防覆冰涂層的表面形成不結冰的水膜，這樣相當于在冰與防覆冰涂層的表面之間引入了一層潤滑層，使得基材表面的冰層在重力或風力的作用下脫離基材表面，達到防覆冰的效果。
文檔編號C09D7/12GK103194130SQ201210005480
公開日2013年7月10日 申請日期2012年1月10日 優(yōu)先權日2012年1月10日
發(fā)明者陳京, 王健君, 宋延林 申請人:中國科學院化學研究所