透明防冰涂层制造技术

披露了透明的、抗冲击的防冰涂层。在一些变体中，透明防冰涂层包括：一种硬化材料的连续基体；抑制水的润湿的不对称模板，其中这些不对称模板具有从约10-300纳米的长度尺度；围绕这些不对称模板的多孔空隙，其中这些多孔空隙具有从约15-500纳米的长度尺度；以及抑制水的异相成核的纳米颗粒，其中这些纳米颗粒具有从约5-50纳米的平均尺寸。披露的涂层具有90％或更高的透光率的透明度。这些涂层利用可快速形成为涂层的轻质且对环境友好的材料。颗粒和不对称模板在整个涂层上的均匀分布允许它被磨损，但仍保留其抗冰功能以及透明度。因此，如果表面在使用过程中受到损坏，新暴露的表面与被去除的表面相同，以延长寿命。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】优先权数据本国际专利合作条约专利申请要求于2013年11月8日提交的美国临时专利申请号61/901,769以及2014年11月7日提交的美国专利申请号14/535,374的优先权，其中每一个特此通过引用结合在此。专利
本专利技术总体上涉及用于各种商业应用的透明的、耐磨的防冰涂层。专利技术背景防冰涂层可能在许多基础设施、运输及冷却系统中对于提高安全性具有重要的影响。在众多由结冰引起的问题中，许多问题是由于过冷水滴撞击在固体表面上引起的。这种由过冷水引起的结冰(也称为冻雨、大气结冰或碰撞冰)由于会使路面变滑、破坏树枝和电力线、以及使飞机的机翼停转而臭名昭著。当过冷水撞击表面时，在水与暴露于表面的颗粒之间的接触处通过异相成核过程可能发生结冰。过冷水在表面上结冰是一种复杂的现象，且还可能取决于冰粘附性、水动力条件、表面上的水膜的结构、以及表面的表面能(水对表面的润湿程度)。无机基材上的异相冰成核机理还未被完全认识。熔点下降的流体作为一次性使用方法是众所周知的，其必须正好在结冰发生之前或之后被应用。这些流体(例如，乙二醇或丙二醇)在预期用途(例如，飞机机翼、道路、以及挡风玻璃)的典型条件下自然地消散。这些流体不能提供长期的(例如，超过约1小时)除冰或防冰。同样地，喷涂的或氟碳化合物颗粒会影响润湿，但通过擦拭表面会被去除。这些材料并不耐用。表面的化学特征是当暴露于水时表面显示出的疏水性或接触角的一个决定因素。对于平滑的不带纹理的表面，可能的最大理论接触角或疏水性程度为大约120°。诸如聚四氟乙烯或聚二甲基硅氧烷的表面是接近此类接触角的常见材料的实例。近来为开发防冰或疏冰表面的努力主要致力于利用来自荷叶灵感的超疏水表面。然而，由于水凝结和结霜，这些表面在高湿度条件下失效，并且甚至由于表面积较大而导致冰粘附力增加。通过疏水表面特征与粗糙度或表面纹理的结合，许多研究人员已经制造了大接触角表面。一种常见的方法是应用光刻技术在表面上形成规则特征。这典型地涉及创造一系列的柱状物或柱体，其迫使液滴与空气-水界面的大面积部分进行相互作用。然而，表面特征，例如这些不容易规模化，这是由于用于制造它们的光刻技术。此外，这样的表面特征在正常使用过程中易受冲击或磨损。它们是单层，这导致易受磨损。其他研究人员已制造出能够降低水的冰点的涂层。这典型地涉及使用已知可以降低冰点的小颗粒。已经采用了单层的纳米颗粒涂层，但是这些涂层并不是耐磨的。这些涂层中的许多涂层实际上可以通过简单地擦拭表面、或通过其他冲击来去除。其他涂层已经引入从表面浸出的熔化抑制剂(盐或二醇)。一旦浸出完成，涂层就不能用作防冰表面。纳米颗粒-聚合物复合涂层可以提供熔点降低并且能够实现防冰，但是它们通常不能抵抗水在表面上的润湿。当水未从表面排出去时，仍然可能形成难以除去的冰层。即使当最初存在一定表面粗糙度，磨损后纳米颗粒也将不再存在并且涂层将不会有效发挥防冰表面的作用。在一些应用中，透明涂层是非常重要的。例如，功能性涂层的透明度对于住宅和车辆窗户、光学镜片、过滤器、仪器、传感器、眼镜、照相机、卫星、武器系统、以及光伏玻璃是令人希望的。然而，存在阻止视觉透明度的基本限制。在同一表面内整合疏水性和透明度存在显著挑战。疏水性典型地与透明度竞争，因为与疏水性相关的表面特征(即表面粗糙度)典型地散射光，使表面显得不透明或半透明。此外，具有大粗糙度的表面通常表现出弱的机械稳定性。例如，基于聚合物的膜典型地不能很好地结合到基板上以对于大多数应用要求是足够耐久的。基于粉末的涂层也表现出弱的耐久性。溶胶-凝胶涂层能提供较好的粘接；然而，它们通常表现出差的疏水特性。基于纳米阵列的涂层具有与基于聚合物或溶胶-凝胶的薄膜类似的问题。此外，这些纳米结构组件的制造涉及复杂的处理方案，使得它们不适合大规模开发和生产。本领域中对于可规模化的、抗冲击的、透明的涂层存在需要，这些涂层具有去湿和防冰特性二者。这样的涂层优选地利用低成本、轻质且对环境友好的材料，这些材料可以使用方便的涂覆方法快速地(几分钟或几小时，而非几天)在大面积上喷洒或流延成薄层。这些涂层应该能够在延长的时间段内在使用过程中经受环境。专利技术概述本专利技术解决本领域中的上述需求，如现在将进行概述的以及然后在下文中详细地进一步加以描述的。在一些变体中，本专利技术提供了一种透明防冰涂层，包括：(a)一种基本上连续的基体，该基体包括一种硬化材料；(b)分散在该基体中的不对称模板，这些模板抑制水的润湿，其中这些不对称模板具有从约10纳米至约300纳米的长度尺度；(c)围绕这些不对称模板的至少一部分的多孔空隙，其中这些多孔空隙具有从约15纳米至约500纳米的长度尺度；以及(d)分散在该基体中的纳米颗粒，这些纳米颗粒抑制水的异相成核，其中这些纳米颗粒具有从约5纳米至约50纳米的平均尺寸，其中该涂层的特征可以在于在400nm至900nm的范围内在一个或多个波长下至少70％的透光率的涂层透明度。在一些实施例中，该涂层的透明度是在400nm至900nm的范围内在一个或多个波长下至少80％或至少90％的透光率。在一些实施例中，该涂层的透明度是在400nm至900nm的范围内在所有波长下至少80％或至少90％的透光率。在一些实施例中，不对称模板具有的长度尺度为从约10纳米至约100纳米。不对称模板具有高于1.0，优选地约1.5或更高的纵横比。多孔空隙可以具有的长度尺度为从约20纳米至约300纳米。总体上，当不对称模板更大时，多孔空隙将更大。在一些实施例中，纳米颗粒是具有从约5纳米至约50纳米，例如约10纳米至约30纳米的平均直径的球形。在一些实施例中，纳米颗粒中的至少一些设置在不对称模板的表面上或不对称模板的表面附近。在某些实施例中，纳米颗粒用化学和/或物理方法结合到不对称模板上或与不对称模板相关联。透明防冰涂层的厚度可以是从约1微米至约1厘米，例如像约5微米至约500微米。涂层孔隙率可以是例如从约5％至约20％。在一些实施例中，该涂层具有每cm3的涂层体积从约108至约1011个空隙的空隙密度。该硬化材料可包括一种交联聚合物，该交联聚合物选自由以下各项组成的组：聚氨酯、环氧树脂、丙烯酸树脂、酚醛树脂--包括脲-甲醛树脂和苯酚-甲醛树脂--、氨基甲酸酯、硅氧烷、醇酸树脂、硫醇烯(thiolenes)、以及本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种透明防冰涂层，包含：(a)一种基本上连续的基体，该基体包括一种硬化材料；(b)分散在所述基体中的不对称模板，这些模板抑制水的润湿，其中所述不对称模板具有从约10纳米至约300纳米的长度尺度；(c)围绕所述不对称模板的至少一部分的多孔空隙，其中所述多孔空隙具有从约15纳米至约500纳米的长度尺度；以及(d)分散在所述基体中的纳米颗粒，这些纳米颗粒抑制水的异相成核，其中所述纳米颗粒具有从约5纳米至约50纳米的平均尺寸。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.11.08 US 61/901,769;2014.11.07 US 14/535,3741.一种透明防冰涂层，包含：
(a)一种基本上连续的基体，该基体包括一种硬化材料；
(b)分散在所述基体中的不对称模板，这些模板抑制水的润湿，其中
所述不对称模板具有从约10纳米至约300纳米的长度尺度；
(c)围绕所述不对称模板的至少一部分的多孔空隙，其中所述多孔空隙
具有从约15纳米至约500纳米的长度尺度；以及
(d)分散在所述基体中的纳米颗粒，这些纳米颗粒抑制水的异相成核，
其中所述纳米颗粒具有从约5纳米至约50纳米的平均尺寸。
2.如权利要求1所述的透明防冰涂层，其中所述不对称模板具有从约10
纳米至约100纳米的长度尺度。
3.如权利要求1所述的透明防冰涂层，其中所述不对称模板具有约1.5
或更高的纵横比。
4.如权利要求1所述的透明防冰涂层，其中所述多孔空隙具有从约20
纳米至约300纳米的长度尺度。
5.如权利要求1所述的透明防冰涂层，其中所述纳米颗粒是具有从约5
纳米至约50纳米的平均直径的球形。
6.如权利要求1所述的透明防冰涂层，其中所述纳米颗粒的至少一部分
被设置于所述不对称模板的表面上或邻近这些表面。
7.如权利要求6所述的透明防冰涂层，其中所述纳米颗粒用化学和/或物
理方法结合到所述不对称模板上或与所述不对称模板相关联。
8.如权利要求1所述的透明防冰涂层，其中所述涂层具有从约1微米至
约1厘米的涂层厚度。
9.如权利要求11所述的透明防冰涂层，其中所述涂层厚度为约5微米至
约500微米。
10.如权利要求1所述的透明防冰涂层，其中所述涂层具有从约5％至约
20％的涂层孔隙率。
11.如权利要求1所述的透明防冰涂层，其中所述涂层具有每cm3的涂层
体积从约108至约1011个空隙的空隙密度。
12.如权利要求1所述的透明防冰涂层，其中所述硬化材料包括选自下组
的一种交联聚合物，该组由以下各项组成：聚氨酯、环氧树脂、丙烯酸树
脂、酚醛树脂--包括脲-甲醛树脂和苯酚-甲醛树脂--、氨基甲酸酯、硅氧烷、
醇酸树脂、硫醇烯、以及它们的组合。
13.如权利要求1所述的透明防冰涂层，其中所述不对称模板包括选自下
组的一种无机材料，该组由以下各项组成：二氧化硅、硅酸盐、碳酸盐、
氧化铝、铝硅酸盐、以及它们的组合。
14.如权利要求13所述的透明防冰涂层，其中所述不对称模板包括各向异
性的二氧化硅颗粒。
15.如权利要求1所述的透明防冰涂层，其中所述不对称模板是用选自下
组的一种化合物进行表面改性的，该组由以下各项组成：脂肪酸、硅烷、
烷基膦酸酯、烷基膦酸、烷基羧酸酯、以及它们的组合。
16.如权利要求1所述的透明防冰涂层，其中所述纳米颗粒包括选自下组
的一种纳米材料，该组由以下各项组成：二氧化硅、氧化铝、二氧化钛、
氧化锌、...

【专利技术属性】
技术研发人员：亚当·格罗斯，安德鲁·诺瓦克，
申请(专利权)人：HRL实验室有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国;US