基于倍半硅氧烷的两亲性抗冻分子、制备方法及防冰表面材料技术

本发明专利技术提供一种基于倍半硅氧烷的两亲性抗冻分子、制备方法及防冰表面材料，属于防冰表面材料技术领域。解决现有的防冰表面材料的防冰效果不稳定的问题。该两亲性抗冻分子是将倍半硅氧烷与抗冻蛋白或抗冻多肽结合而得到的。本发明专利技术还提供一种基于倍半硅氧烷的两亲性抗冻分子的制备方法，该方法先制备带有反应基团和疏水基团的倍半硅氧烷；然后将倍半硅氧烷和抗冻蛋白或抗冻多肽通过偶联反应结合，得到基于倍半硅氧烷的两亲性抗冻分子。本发明专利技术还提供基于倍半硅氧烷的两亲性抗冻分子制备得到的防冰表面材料。本发明专利技术的防冰表面材料同时具有疏水材料和亲水材料的防冰特性，扩大了防冰材料使用的温度窗口，提高了材料的防冰性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于防冰表面材料
，具体涉及一种基于倍半硅氧烷的两亲性抗冻 分子、制备方法及防冰表面材料。
技术介绍
表面结冰的现象在日常生活中大多数是有害的。由表面结冰而导致的许多事故不 但威胁人们的生命安全，而且造成了社会巨大的经济损失。有效的表面防冰技术一直是社 会的迫切需求，近年来，频发的事故（如2008年的雪灾）更将这一难题摆在了眼前。防冰 技术已经引起全球科研人员的广泛关注。发展有效的表面防冰技术，抑制表面结冰现象，对 经济、军事及社会都具有重大意义。 现有的表面防冰技术主要分为三类： 其一是物理方法，包括机械除冰，电热防冰，气热防冰，蒸发防冰与流湿防冰技术 等（Farzaneh,M. ；Ryerson,C.C.ColdRegionsScienceandTechnology, 2011, 65, 1)〇 早 期物理防冰方法颇受欢迎，但这些方法存在着消耗大量能量及造成额外的能量消耗负担等 问题，在提倡节能和环保的今天，显然需要更多的改进； 其二是化学方法，即将乙醇，乙二醇，丙醇等冰点很低的液体喷洒在表面，使其与 过冷水混合后，冰点低于表面温度而防止表面结冰。然而防冻液耐久性差，消耗量大，且会 对表面产生一定的腐蚀，因此相对采用的也较少； 其三是被动防冰方法，即不通过主动除冰手段，而达到抑制表面结冰的方法。这 是新兴的一种相对安全，节能，可靠的方法，是目前国内外防冰技术研究的热点。被动防冰 方法的核心是开发有效的表面防冰材料，以降低冷凝水滴的结冰温度，或降低表面对冰的 粘附力，使冰可以在外力作用下被移除。 防冰表面按照其浸润性的不同可分为三类，疏水表面、亲水表面和亲疏水相间材 料。 (1)疏水表面 疏水表面通过三种机制来达到防冰的效果。一是疏水表面对水滴粘附力比较低， 因此冷凝水滴可以通过风力重力等作用而被移除（Zhang,Q. ;He，M. ;Chen，J. ;Wang，J.; Song，Y. ;Jiang，L.ChemcalCommunication，2013,49,4516);二是疏水表面与水滴接触 面积相对小，表面与水滴之间的传热面积小而水滴不易结冰（Guo，P. ;Zheng，Y. ;Wen，M.; Song,C. ;Lin，Y. ;Jiang，L.AdvancedMaterials, 2012, 24, 2642);三是疏水表面对冰的粘 附力低，冰可以通过外力作用移除（W〇ng，T.-S. ;Kang，S.H. ;Tang，S.K.Y. ;Smythe，E.J.; Hatton,B.D. ；Grinthal,A. ;Aizenberg,J.Nature, 2011, 477, 443) 〇 疏水表面中，以超疏水表面的防冰效果为最佳。超疏水表面在低湿度下（< 50% ) 具有良好的防冰效果，然而其结构复杂，大尺寸防冰表面制备困难，且在高湿度下易失去超 疏水性(Boinovich,L.B. ；Emelyanenko,A.M. ；Ivanov,V.K. ；Pashinin,A.S.AcsApplied Materials&Interfaces，2013, 5, 2549)，从而丧失使用功能，这是其难以克服的缺陷。 ⑵亲水表面 亲水表面的防冰机制主要包含两种：一是通过盐效应作用，即表面接枝聚电解 质，水滴在表面冷凝水，在聚电解质周围形成盐溶液，而达到降低冷凝水结冰温度的效 果(Chen,J. ；Dou,R. ；Cui,D. ；Zhang,Q. ；Zhang,Y. ；Xu,F. ；Zhou,X. ；ffang,J. ；Song,Y.； Jiang,L.AcsAppliedMaterials&Interfaces, 2013, 5, 4026);二是表面接枝的分子，如 醇类等，羟基与水形成氢键网络而使表面冷凝水不易结冰（Esser-Kahn，A.P. ;Trang，V.; Francis,M.B.JournaloftheAmericanChemicalSociety, 2010, 132, 13264)〇 亲水表面能稳定的在不同环境发挥防冰效果，但其效果相对于疏水表面较差，这 主要是因为通常表面接枝亲水分子浓度较低，通过盐效应而降低的冷凝水结冰温度很有 限。 (3)亲疏水相间材料 2007年，Ayres等人用钛醇盐溶胶-凝胶体系制成了三丙烯乙二醇醚和甘油的缓 释系统，疏水的环氧树脂延缓了醇的释放，醇的释放导致了涂层表面冷凝水的结冰温度下 降，达到了防冰的目的。该缓释系统的防冰能力有限，且随醇的释放其防冰能力逐渐下降。 2015年，Sun等人受青蛙表皮结构的启发，设计出了亲疏水相间的双层结构，通过多孔疏水 表层控制了亲水底层丙二醇的释放，实现了较好的防病性能。然而他们始终没有解决亲水 防冰物质损耗的问题，因此所制备的涂层难以长期稳定的发挥防冰效果。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有的防冰表面材料的防冰效果不稳定的问题，而提供 一种基于倍半硅氧烷的两亲性抗冻分子、制备方法及防冰表面材料。 本专利技术首先提供一种基于倍半硅氧烷的两亲性抗冻分子，该两亲性抗冻分子是将 倍半硅氧烷与抗冻蛋白或抗冻多肽结合而得到的。 优选的是，所述的倍半硅氧烷的结构为梯形结构或笼型结构。 优选的是，所述的基于倍半硅氧烷的两亲性抗冻分子的结构式如式I或式II所 示： 式I或式II中，R为疏水基团，R1为抗冻蛋白或抗冻多肽。 优选的是，所述的疏水基团为异丁基或苯基。 本专利技术还提供一种基于倍半硅氧烷的两亲性抗冻分子的制备方法，包括： 步骤一：制备带有反应基团和疏水基团的倍半硅氧烷； 步骤二：将步骤一的倍半硅氧烷和抗冻蛋白或抗冻多肽通过偶联反应结合，得到 基于倍半硅氧烷的两亲性抗冻分子。 优选的是，所述的反应基团为氨基、羧基或羟基。 本专利技术还提供上述基于倍半硅氧烷的两亲性抗冻分子制备得到的防冰表面材料。 本专利技术还提供防冰表面材料的制备方法，包括： 将基于倍半硅氧烷的两亲性抗冻分子溶于溶剂中，得到溶液，将溶液涂覆在基材 表面，或者将基于倍半硅氧烷的两亲性抗冻分子与聚合物共混，将得到的混合物固化成型， 得到防冰表面材料。 优选的是，所述的溶剂选自氯仿、己烷、四氢呋喃或甲苯中的一种或几种。 优选的是，所述的聚合物为环氧树脂、聚烯烃、聚硅氧烷、聚酰胺、丙烯酸酯系聚合 物或苯乙烯。 本专利技术的有益效果 本专利技术首先提供一种基于倍半硅氧烷的两亲性抗冻分子，该抗冻分子首次将倍半 硅氧烷（P0SS)用于稳定抗冻蛋白/多肽结构，所得到的抗冻分子具有亲水和疏水两种优 势，不但具有良好的抗冻性能，而且具有良好的稳定性，由于P0SS的特殊结构和性能，其可 与多种基体树脂达到分子级别的混合，抗冻蛋白/多肽与POSS结合，不但可保证抗冻蛋白 /多肽在材料中的稳定存在，也使得材料性质均一稳定，耐久性好。 本专利技术还提供一种基于倍半硅氧烷的两亲性抗冻分子的制备方法，该方法先制备 得到带有反应基团和疏水基团的倍半硅氧烷；然后和抗冻蛋白或抗冻多胎通过偶联反应结 合，得到基于倍半硅氧烷的两亲性抗冻分子。该制备方法简单、原料易得，得到的两亲性抗 冻分子具有良好的抗冻性能。 本专利技术还提供一种防冰表面材料，该材料是将具有纳米结本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于倍半硅氧烷的两亲性抗冻分子，其特征在于，该两亲性抗冻分子是将倍半硅氧烷与抗冻蛋白或抗冻多肽结合而得到的。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张依帆，柳美华，魏巍，尹园，郑春柏，杨天博，邓鹏飏，
申请(专利权)人：中国科学院长春应用化学研究所，
类型：发明
国别省市：吉林;22