一種防覆冰功能的材料及其制備方法和用圖
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種具有防覆冰功能的材料及其制備方法和用途，屬于化學材料領域。
【背景技術】
[0002]覆冰是自然界中經常發生的現象，尤其是在低溫高濕的地區，覆冰的產生給生產和生活造成巨大的經濟和能源損失。輸電線路的覆冰，常常引發絕緣子閃路、電塔倒塌和線路中斷等重大事故，影響電力系統的安全運行。飛行器表面覆冰會降低有效載荷，影響氣動外形及機動特性。路面覆冰造成路面濕滑，可能造成機動車制動失靈，釀造嚴重的交通事故。冰箱冷凝管結霜造成耗電量的增加和制冷效果下降，浪費能源。目前常用的除冰方法主要分為主動除冰和被動除冰法兩大類。主動除冰技術主要包括熱力除冰法(CN101120217A ；CN102136710A ；CN 101499635A ;CN101562320A)、機械除冰法等，熱力除冰法雖然除冰效果較明顯，但能量損耗大，設備投資成本高，受益范圍受限；機械除冰法耗能少成本低，但除冰效率和工作強度常常成為受制約因素。被動除冰法中表面涂覆防冰涂料是最重要的手段。防覆冰涂料具有簡單有效，質量輕，價格低廉，更重要的是涂料種類多樣，改性空間大。
[0003]目前報道的防覆冰涂料主要類型有，光熱型、電(磁)熱型、疏水型、小分子摻雜型涂層。光熱型和電(磁)熱型涂料需要把光能和電能轉換成熱能，轉換效率是制約應用的一個重要因子。疏水或超疏水涂料(如微納復合結構和有機氟涂層)的防覆冰方法可以通過減少水滴在涂層表面的粘附和鋪展達到防冰目的(CN102220063 A ；CN 102660182 A)。但是低溫高濕和高壓環境，水滴在超疏水結構上發生Cassie到Wenzel的轉變，超疏水表面防覆冰的效果下降。超疏水結構用于防覆冰還值得深入研宄。防凍劑例如乙二醇、甘油及衍生物摻雜的防覆冰涂層，溶于水中降低水的凍點，從而延緩結冰過程。但是防凍劑流失嚴重，材料使用壽命很短，而且會污染環境。生物體內的抗凍蛋白用于防結冰，由于成本問題大面積推廣和應用還有很多技術問題需要解決。
[0004]由豬籠草啟發，2011年哈佛大學的Aizenberg等開發了一種將全氟聚醚油滲透到具有極低表面能的多孔材料中，該體系使用了既不與水互溶又不與絕大多數油互溶的潤滑油，在基底表面建立一層對液體超低粘附的液體潤滑層，冰粘附力達到15.6kPa(-10°C )，液滴容易滑落，起到防覆冰的作用。我們課題組用吸濕性分子制備的水性潤滑涂層(Chen J, et al.Robust prototypical ant1-1cing coatings witha self-lubricating liquid water layer between ice and substrate.ACS App1.Mater.1nterfaces，2013，5，4026-4030.Chen J，Luo Z Q，Fan Q R，et al.Ant1-1cingCoating Inspired by Ice Skating.Small，2014，10，4693-4699.Dou R，Chen J，Zhang YF，et al.Ant1-1cing Coating with an Aqueous Lubricating Layer.ACS Appl.Mater.1nterfaces.2014, 6，6998-7003)，在過冷狀態仍保持液體，一定風力條件就可以吹落粘附的冰塊，這樣的涂層具有良好防覆冰性能。
[0005]為了避免環境溫度降低和濕度增加或者基材表面受到污染造成的防覆冰涂層失效，本發明用石蠟溶脹硅膠制備的油凝膠體系，硅膠具有網絡交聯結構，疏水性絕緣性能良好，能容納擴散進去的石蠟分子，石蠟分子又能緩慢釋放出來，保證材料的持續性利用。不僅具有比目前文獻報道的還要低的超低冰粘附和超寬低溫使用范圍(低至實驗設備的下限_70°C )，而且潤滑層是緩慢釋放的，比多孔結構灌潤滑油和結構上生長的水性潤滑層更具有可持續性，耐磨損性，是一種很有前景的防覆冰材料。
【發明內容】
[0006]本發明的一個目的在于提供一種防覆冰功能的材料，該材料具有防覆冰的作用，低粘附力，除冰容易，降低能耗。解決了目前防結冰材料在冷凝環境下性能較差，化霜過程中能耗大，材料易磨損和適用溫度范圍窄等問題。即便在霜雪極端低溫天氣下，該材料上覆冰也會大大降低，防止覆冰事故的發生。
[0007]本發明的另一目的在于提供本發明材料的制備方法及其用途。
[0008]本發明通過如下技術方案實現:
[0009](I) 一種具有防覆冰功能的材料，其特征在于，所述材料包括交聯網絡聚合物和石蠟，其中所述石蠟是碳原子數為10?60的烷烴或其混合物。
[0010](2)根據第(I)項的材料，其特征在于，所述材料為石蠟溶脹在交聯網絡聚合物中形成的油凝膠體系。
[0011](3)根據第⑴或⑵項的材料，其特征在于，所述交聯網絡聚合物通過交聯劑形成固化網絡結構。
[0012](4)根據第(1)-(3)任一項的材料，其特征在于，所述交聯網絡聚合物為硅膠、含苯基的硅膠，或橡膠。
[0013]優選地，所述交聯網絡聚合物選自聚二甲基娃氧燒(Polydimethylsi1xane,PDMS)、苯基PDMS和丁基橡膠。
[0014]所述PDMS是一種商用的硅膠產品，其中通過預聚體A和交聯劑B制備。
[0015]所述橡膠選自天然橡膠，丁苯橡膠，丁基橡膠，丁腈橡膠等。考慮橡膠在高溫易老化，抗油等特性。優選使用丁基橡膠。
[0016]更優選地，所述交聯網絡聚合物為可溶脹石蠟的PDMS。
[0017]本發明中，交聯劑為常見的交聯劑。例如乙稀基封端或甲基乙稀基封端交聯劑。
[0018](5)根據第(1)-(4)任一項的材料，其特征在于，所述石蠟優選碳原子數為16?35的烷烴或其混合物。優選碳原子數為16?25，例如16?20的烷烴混合物。
[0019]石蠟中的主要組分為直鏈烷烴和支鏈烷烴和帶長側鏈的單環環烷烴的混合物，所述石蠟為脫除部分結晶成分后的混合物。
[0020](6) 一種如上第(1)-(5)任一項所述的防覆冰功能材料的制備方法，其特征在于，所述方法包括:
[0021]a.交聯網絡聚合物的制備:將交聯網絡聚合物(如硅膠)的預聚體和交聯劑以5:1?40:1(優選6:1?30:1，或者8:1?20:1)質量比混合攪拌均勻，離心去除氣泡，進一步真空排氣泡，在60°C?120°C固化5?10個小時。交聯網絡聚合物也可為改性的苯基硅膠或丁基橡膠。
[0022]b.防覆冰材料的制備:將固化好的交聯網絡聚合物浸沒在熔融態的石蠟中，120?150°C保持5?8h，保證交聯網絡聚合物達到溶脹飽和。
[0023](7) 一種如上第(1)-(5)任一項所述的防覆冰功能材料的應用，其特征在于，所述材料用于機械設備，優選為低溫條件運行的機械設備中。
[0024](8) 一種防覆冰涂層，其特征在于，所述涂層包含一種如上第(1)-(5)任一項所述的防覆冰功能材料。
[0025]本文中術語“防覆冰功能”是指防止在材料上覆冰的功能。由于基底為彈性的硅膠，其疏水性絕緣性能良好，對于擴散進去的石蠟分子可作為儲存支架和容器，而由于滲透壓石蠟分子又能緩慢釋放出來，保證材料的持續性利用。
【附圖說明】
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[0026]圖1:本發明實施例油溶膠中石蠟的溶脹和緩釋特性。
[0027]圖2:石蠟的玻璃化轉化溫度的DSC。
[0028]圖3:油凝膠的冰粘附特性。
[0029]圖4:本發明的油凝膠的超低冰粘附的可持續性。
【具體實施方式】