本發明屬于冰凍、積雪防范材料技術領域，具體的是涉及一種仿生自響應防冰雪自清潔材料和應用。

背景技術：

結冰和積雪是材料表面在特定環境下發生的自然現象，由材料表面的潤濕性決定。結冰和積雪可以顯著影響儀器設備的工作效能，使得結冰和積雪的防范與清除成為諸多行業亟待解決的重要課題，諸如航空、電力、交通等。如飛機機身結冰、積雪影響其飛行狀態，降低其安全系數，嚴重威脅人員和財產安全，甚至釀成飛行安全事故；電力設備和輸電線路的覆冰、積雪可以造成電力輸送問題，破壞經濟活動和日常生活的正常進行；高鐵列車的結冰、積雪可以影響車輛的通訊和懸掛系統等的運行，非常不利于列車的安全運行。

當前結冰和積雪的主要處理措施包括后處理和預處理兩類。后處理是一種較為保守的、成熟的方法，通過加熱處理、化學處理(如列車丙二醇噴淋等融雪劑)和機械清除等方法實現。該方法存在的問題包括不受控的結冰和積雪可能導致機械設備性能方面不可逆的破壞，化學處理使用的化學物質對環境具有一定的污染性，加熱處理用時長、能源消耗大，經濟性欠佳。預處理是一種積極的、不斷優化的防范機制，主要通過改變材料表面潤濕性達到防冰雪自清潔的目的，經典的處理技術為材料表面直接構建微結構并采用低表面能物質修飾。該方法的缺點是儀器設備的表面功能層耐候性和耐磨損性能差，有效使用期限較短。

技術實現要素：

本發明的目的在于克服現有技術的上述不足，提供一種仿生自響應防冰雪自清潔材料，以及解決現有結冰和積雪的后處理和預處理措施存在的能耗高、耐候性和耐磨損性能差導致防冰雪不穩定以及經濟性欠佳的技術問題。

為了實現上述發明目的，本發明的一方面，提供了一種仿生自響應防冰雪自清潔材料。所述仿生自響應防冰雪自清潔材料包括基體和鑲嵌于所述基體內的具有吸水膨脹和失水復原特性的若干囊腔結構，所述囊腔結構的囊腔通過毛細通道與基體外界相通，在所述囊腔內裝設有用于降低表面能的液態物質，所述液態物質在所述囊腔結構吸水膨脹過程中通過所述毛細通道被擠壓至基體表面。

本發明的另一方面，提供了一種仿生自響應防冰雪自清潔材料的應用方法。所述仿生自響應防冰雪自清潔材料的應用方法是將本發明仿生自響應防冰雪自清潔材料在航空航天器、電力設備、交通運輸設備、制冷設備的防范結冰、積雪中的應用。

與現有技術相比，本發明仿生自響應防冰雪自清潔材料能夠通過鑲嵌于所述基體內的若干囊腔結構的吸水膨脹，從而將裝設在囊腔內的液態物質擠壓至基體表面，通過液態物質的低表面能特性，實現自響應防冰雪性能，有效抑制附冰的形成以及降低積雪的附著強度，降低后期進行冰雪清理工作的成本，有效保證了相應設備工作的穩定性。當囊腔結構失水復原過后，囊腔體積擴張，從而使得被擠壓出的液態物質回吸至囊腔之內，從而使得本發明仿生自響應防冰雪自清潔材料具有較長的使用期限。

由于本發明仿生自響應防冰雪自清潔材料具有良好的防冰凍和積雪效果，從而有效保證了相應設備如航空航天器、電力設備、交通運輸設備、制冷設備的工作穩定性和安全性。另外，仿生自響應防冰雪自清潔材料能夠具有較長時間的使用期限，而且其直接貼合于設備表面，有效提高了相應額設備防冰雪的經濟成本和效率。

附圖說明

圖1是本發明實施例仿生自響應防冰雪自清潔材料所含的囊腔未吸水膨脹時的結構示意圖；

圖2是本發明實施例仿生自響應防冰雪自清潔材料所含的囊腔發生吸水膨脹后的結構示意圖。

具體實施方式

為了使本發明要解決的技術問題、技術方案及有益效果更加清楚明白，以下結合實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。

一方面，本發明實施例提供了一種具有良好防冰雪自清潔作用的仿生自響應防冰雪自清潔材料。所述仿生自響應防冰雪自清潔材料的結構如圖1和2所示，其包括基體1和鑲嵌于所述基體1內的具有吸水膨脹和失水復原特性的若干囊腔結構2，以及裝設于囊腔結構2的囊腔內的用于降低表面能的液態物質3。

其中，上述仿生自響應防冰雪自清潔材料所含的基體1作為囊腔結構2的載體。因此，在一實施例中，所述基體1的材料可以是防冰雪材料中常用基體，只要是能夠負載囊腔結構2的所有基材均在本發明公開的范圍，如環氧樹脂基體。在另一實施例中，所述基體1的厚度為300-500μm，如400μm，可以根據實際的需要進行靈活調整。通過對基體1的材料和厚度的控制，提高囊腔結構2的負載穩定性和負載量。在具體實施例中，該所述基體1具有相對的兩個表面，所述囊腔結構2是鑲嵌在所述基體1的靠近其中一表面的表層部分內，另一表面用于貼合被防冰雪設備表面。

上述仿生自響應防冰雪自清潔材料所含的囊腔結構2雖然鑲嵌于基體1內部，但是其與基體1外界相通通過毛細通道21相通。因此，囊腔結構2與毛細通道21一起構成了類毛囊結構，也即是囊腔結構2與毛細通道21一起構成了仿生毛囊結構，此時，液態物質3裝設在囊腔結構2的囊腔內，如圖1所示。當囊腔結構2吸水后，囊腔結構2的囊壁22發生吸水膨脹，使得囊腔體積發生收縮，從而產生向囊腔內的壓力，從而使得液態物質3被擠壓至基體表面外，形成液態物質防冰雪層3’，如圖2所示。當囊腔結構2失水復原后，也即是囊壁22失水復原后，體積收縮，囊腔體積增大，使得被擠壓至基體1表面的液態物質3至少部分回吸至囊腔結構2的囊腔內，恢復至圖1所示的仿生自響應防冰雪自清潔材料結構。此時降低液態物質3的浪費損失，降低仿生自響應防冰雪自清潔材料的經濟成本。

上述仿生自響應防冰雪自清潔材料所含的囊腔結構2為若干個，應該理解的是多個，即是大于2個。一實施例中，該囊腔結構2的囊腔體積為0.01-0.2μl，具體的如0.05μl。在另一實施例中，所述囊腔結構2鑲嵌在所述基體1內的密度(也即是分布密度)為30-100個/cm²，具體的如40、60個/cm²。該體積和分布密度的囊腔結構2能夠有效控制裝設其內的用于降低表面能的液態物質3的量，從而也決定了仿生自響應防冰雪自清潔材料的防冰雪效果。

在另一實施例中，所述囊腔的囊壁22厚度為20-50μm，具體的如30μm。通過控制囊壁22的厚度，能夠有效控囊腔結構2制吸水膨脹體積，也即是間接優化控制了囊腔結構2對液態物質3擠壓的壓力大小，從而優化了液態物質3被擠壓至基體表面的效果，從而優化了上述仿生自響應防冰雪自清潔材料的防冰雪效果。

另外，上述囊腔結構2可以鑲嵌在基體1內部任意地方，如基體2表層部分、中間部分等，優選的分布在基體1的表層部分，能夠靈敏的感應基體1表面的濕度，將表面由于冷凝水汽進行快速吸收，使得將囊腔結構2的囊壁22快速發生膨脹，從而快速擠壓液態物質3至基體1的表面，起到即是的防冰雪作用。

上述囊腔結構2的材料也即是囊壁22的材料為吸水膨脹橡膠、吸水性樹脂中的任意一種，在具體實施例中，吸水樹脂可以是常規的改性聚乙烯醇類吸水樹脂。該選用的材料具有優異的吸水膨脹和失水復原特性，使得囊腔結構2具有靈敏的毛囊防水效果，從而實現靈敏的防冰雪效果。且失水復原性能也優異，使得被擠壓至基體1表面的液態物質3至少部分回吸至囊腔結構2的囊腔內。

上述仿生自響應防冰雪自清潔材料所含的液態物質3為聚氟代丙烯酸酯、全氟硅烷、氟碳清漆等中的至少一種。通過選用該些液態物質具有良好的耐低溫液態和低表面能特性，而且能夠在囊腔結構2的囊壁22吸水膨脹過程中通過毛細通道21被擠壓至基體1表面，從而實現上述仿生自響應防冰雪自清潔材料穩定和良好的防結冰或積雪效果。

在上述各實施例的基礎上，上述各實施例中的仿生自響應防冰雪自清潔材料還包括粘結層4。該粘結層4是為了使得仿生自響應防冰雪自清潔材料能夠方便并牢固的附著在需要被防冰凍和積雪的設備表面。如在圖1、2所示的仿生自響應防冰雪自清潔材料結構中，基體1具有相對的兩個表面，基體1的其中一表面的表層部分鑲嵌有若干囊腔結構2，基體1的另一表面上還附著有粘結層4。

在進一步實施例中，在表層部分鑲嵌有若干囊腔結構2基體外表面和/或粘結層4外表面層疊結合有保護層(圖未顯示)。具體地，該保護層可以是分離紙。該保護層的存在，能夠使得上述仿生自響應防冰雪自清潔材料在使用之前，其所含的粘結層4和表層部分鑲嵌有若干囊腔結構2基體外表面(防冰雪層)得到保護，保證了粘結層4的粘性和防冰雪層的防冰凍和積雪性能。在上述仿生自響應防冰雪自清潔材料在使用時，直接撕去保護層，將通過粘結層4直接將上述仿生自響應防冰雪自清潔材料粘合在需要被防冰凍和積雪設備的表面。

上文各實施例中所述的仿生自響應防冰雪自清潔材料可以根據使用方便性，將其設置成但不僅僅為帶狀或膜狀。

另外，上文各實施例中所述的仿生自響應防冰雪自清潔材料可以按照包括如下步驟的方法制備：

s01.基體的處理：采用激光刻蝕法在基體1上制備出u型腔體；

s02.囊腔結構的制備：囊腔結構材料配制成溶液，在基體1的u型腔體內自行裝形成吸水樹脂組成的囊壁內襯結構，使用壓力機對上步處理后的中間產品進行熱壓處理，u型囊腔上端開口收縮，形成類水滴型的囊腔結構2；

s03.將含有囊腔結構2的基體1置于用于降低表面能的液態物質，通過加壓處理，使得用于降低表面能的液態物質3填充至囊腔結構2內，從而獲得上文所述的仿生自響應防冰雪自清潔材料。

其中，步驟s02中自行裝形成吸水樹脂組成囊壁內襯結構是在但不僅僅是60℃下進行的。另外，上述制備方法中涉及的基體1、囊腔結構2材料和尺寸均如上文所述，液態物質所選的種類也如上文所述，為了節約篇幅，在此不再贅述。

因此，上述仿生自響應防冰雪自清潔材料能夠通過鑲嵌于所述基體1內的若干囊腔結構2的囊壁22吸水膨脹，從而將裝設在囊腔22內的液態物質3擠壓至基體1表面，通過液態物質3的低表面能特性，實現有效抑制附冰的形成以及降低積雪的附著強度，降低后期進行冰雪清理工作的成本，有效保證了相應設備工作的穩定性。當囊腔結構2的囊壁22失水復原過后，囊腔體積擴張，從而使得被擠壓出的液態物質3回吸至囊腔之內，從而使得本發明仿生自響應防冰雪自清潔材料具有較長的使用期限。另外所含的基體1保證了囊腔結構2工作的穩定性和結構的牢固性，粘結劑層4提高了上述仿生自響應防冰雪自清潔材料使用的便利性和與需要被防結冰和積雪設備結合的牢固性。

正是由于上述仿生自響應防冰雪自清潔材料具有優異的防結冰和積雪效果，而且經濟成本低，且方便使用，因此，上述仿生自響應防冰雪自清潔材料能夠有效被用于航空航天器、電力設備、交通運輸設備、制冷設備的防結冰和積雪處理，從而有效保證了相應設備如航空航天器、電力設備、交通運輸設備、制冷設備的工作穩定性和安全性。

以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。