一种仿生防除冰霜材料及其制备方法和用途技术

本发明专利技术提供一种仿生防除冰霜材料及其制备方法和用途，通过微胶囊相变材料有效防止相变材料的泄露和因相变产生的体积变化，通过与第一高分子树脂复合，实现了仿生防除冰霜材料内部温控、热量释放的稳定性的提升；利用疏水改性光热复合纤维材料与第二高分子树脂构筑微

【技术实现步骤摘要】
一种仿生防除冰霜材料及其制备方法和用途


[0001]本专利技术属于化学、材料
，具体涉及一种仿生防除冰霜材料及其制备方法和在电力通信、风机叶片、机车、航空等户外工程领域中的用途。

技术介绍

[0002]结冰结霜是普遍存在的自然现象，但是对于电力通信、航天航空、交通运输等领域，冰的粘附和堆积常常会带来严重的安全危害以及重大的经济损失。如输电线结冰引起的断电事故；风机叶片结冰引起的机组寿命损耗；车辆底盘结冰引起的安全事故，飞机结霜引起的飞行事故。
[0003]材料表面结冰多数是由于过冷水与表面发生碰撞引起的，取决于冰粘附性、水动力条件、表面上的水膜结构以及表面的表面能等诸多因素。目前，控冰技术主要分为两种，第一种是主动除冰法，包括机械除冰法、电热除冰法、化学除冰法等，其缺点是效率低、能耗高、污染环境，难以满足社会需求。第二种是被动防冰法，其是在材料表面涂覆或构建防覆冰涂层，降低材料表面冰的粘附量，典型的是以猪笼草为代表的润滑表面和以荷叶为代表的超疏水表面。对于润滑表面来说，大面积制备困难以及润滑液的消耗及环境污染限制了该表面的发展和广泛应用。超疏水表面在一定程度上能够减缓表面结冰，但是研究发现，超疏水表面对温度具有较强的依赖性，防冰时间较短，且高湿环境下容易失效。一旦结冰后，冰会以“钉扎”的方式附着在材料表面，造成更大的除冰难题。同时，该表面经过几个结冰和除冰循环之后，表面微纳结构会被破坏，冰粘附强度显著增加。最近，一些新的太阳能光热表面展示出了环境友好和节能的防除冰潜力。但目前的设计策略更多地关注光热转换效率，而忽略了热能的有效管理。导致在白天的除冰霜效果优异，而在夜间完全失效。此外，现有防覆冰霜技术普遍存在控冰霜时间短、多次使用防除冰霜效果差、耐机械损伤性差，且受到外界光源的限制等问题。

技术实现思路

[0004]为了改善现有技术的不足，本专利技术提供一种仿生防除冰霜材料及其制备方法和用途，所述仿生防除冰霜材料是通过模仿自然界生物的特殊功能所制备的兼具主动除冰霜和被动防冰霜的材料。所述仿生防除冰霜材料在实现全天候防除冰霜目的的同时还兼具循环利用、高效节能的特点。
[0005]本专利技术目的是通过如下技术方案实现的：
[0006]一种仿生防除冰霜材料，所述仿生防除冰霜材料包括相变释能层和超疏水光热层；其中，所述相变释能层包括微胶囊相变材料和第一高分子树脂；所述超疏水光热层包括疏水改性光热复合纤维材料和第二高分子树脂，所述超疏水光热层涂覆于相变释能层的表面。
[0007]本专利技术中，术语“防除冰霜材料”是指具有主动除冰霜和被动防冰霜能力的材料。
[0008]根据本专利技术，通过微胶囊相变材料有效防止相变材料的泄露和因相变产生的体积
变化，通过与第一高分子树脂复合，实现了仿生防除冰霜材料内部温控、热量释放的稳定性的提升；利用疏水改性光热复合纤维材料与第二高分子树脂构筑微纳分级多孔网络的超疏水光热层，实现在宽光谱内光的高吸收和高的光
‑
热转化能力。利用超疏水光热层和相变释能层的多元协同作用，使其具有全天候(黑夜和白天)防除冰霜功能。
[0009]根据本专利技术，所述相变释能层的厚度为1
‑
200mm，例如为1mm、5mm、10mm、15mm、20mm、30mm、40mm、50mm、60mm、70mm、80mm、90mm、100mm、110mm、120mm、130mm、150mm、170mm、180mm、190mm或200mm，具体可依据工况需求，制成不同形状和厚度的涂层或样块。
[0010]根据本专利技术，所述相变释能层在严寒环境下(0℃以下)释放的相变潜热大于70kJ/kg，经热循环稳定性测定反复吸热、放热后相变点迁移不超过1℃。
[0011]根据本专利技术，所述相变释能层的制备原料包括微胶囊相变材料、第一高分子树脂、第一固化剂和溶剂。
[0012]根据本专利技术，所述相变释能层的制备原料包括如下重量百分含量的各组分：
[0013]微胶囊相变材料，25
‑
75份；第一高分子树脂，15
‑
75份；第一固化剂，1
‑
35份；溶剂，10
‑
50份。
[0014]优选地，所述相变释能层的制备原料包括如下重量百分含量的各组分：
[0015]微胶囊相变材料，50
‑
66份；第一高分子树脂，23
‑
50份；第一固化剂，5
‑
11份；溶剂，20
‑
40份。
[0016]根据本专利技术，所述相变释能层是通过如下方法制备得到的：
[0017]将微胶囊相变材料、第一高分子树脂、第一固化剂、溶剂混合均匀，固化，制备得所述相变释能层。
[0018]其中，所述固化的温度为室温，所述固化的时间为8
‑
24小时。
[0019]根据本专利技术，所述微胶囊相变材料具有核壳结构，包括内核和外壳，其中内核为相变材料，外壳为成膜材料。
[0020]其中，所述相变材料为无机相变材料、有机相变材料或混合相变材料(无机相变材料和有机相变材料混合后形成的相变材料)中的至少一种，固
‑
液相变温区为
‑
30℃
‑
20℃，例如直链烷烃(C8‑
20
)、石蜡类、脂肪酸类、多元醇等。在本专利技术实施方式中，所述相变材料优选十二烷、十三烷、月桂酸甲酯、正癸醇、十四烷、十五烷、十六烷等的一种或几种组合物。
[0021]其中，所述成膜材料为高分子材料或无机材料，例如聚乙烯、聚丁二烯、聚苯乙烯、聚醚、聚丙烯、聚丙烯酰胺、聚硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯、聚脲、聚酰胺、异氰酸酯、尿素
‑
甲醛聚合物、三聚氰胺
‑
甲醛聚合物、二氧化硅、碳酸钙、二氧化钛、硅酸钙等中的至少一种。
[0022]根据本专利技术，所述微胶囊相变材料可以采用本领域已知的原位聚合、界面聚合方法、界面缩聚或溶胶凝胶法制备得到。
[0023]根据本专利技术，所述微胶囊相变材料的粒径为5
‑
150μm。所述微胶囊相变材料中相变材料和成膜材料的质量比为3:7～7:3。所述微胶囊相变材料的焓值大于100kJ/kg。所述微胶囊相变材料的焓值保有率大于65％。
[0024]根据本专利技术，所述第一高分子树脂选自环氧树脂、聚氨酯、羟基丙烯酸树脂等中的至少一种。所述第一高分子树脂具有定型作用，优选为具有室温固化粘接的作用。
[0025]根据本专利技术，所述第一固化剂选自乙二胺、二乙三胺、三乙烯四胺、四乙烯五胺、多乙烯多胺、异佛尔酮二胺、二氨基二环己基甲烷、甲基环戊二胺、双胺甲基环己二胺、间苯二
甲胺、二氨基二苯甲烷、650低分子聚酰胺、651低分子聚酰胺、T31固化剂、593固化剂、氨基树脂、甲苯二异氰酸酯(TDI)、异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)、六亚甲基二异氰酸酯(HDI)等。<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种仿生防除冰霜材料，所述仿生防除冰霜材料包括相变释能层和超疏水光热层；其中，所述相变释能层包括微胶囊相变材料和第一高分子树脂；所述超疏水光热层包括疏水改性光热复合纤维材料和第二高分子树脂，所述超疏水光热层涂覆于相变释能层的表面。2.根据权利要求1所述的材料，其中，所述相变释能层的厚度为1
‑
200mm。3.根据权利要求1或2所述的材料，其中，所述相变释能层的制备原料包括微胶囊相变材料、第一高分子树脂、第一固化剂和溶剂；优选地，所述相变释能层的制备原料包括如下质量百分含量的各组分：微胶囊相变材料，25
‑
75份；第一高分子树脂，15
‑
75份；第一固化剂，1
‑
35份；溶剂，10
‑
50份。4.根据权利要求1
‑
3任一项所述的材料，其中，所述第一高分子树脂选自环氧树脂、聚氨酯、羟基丙烯酸树脂等中的至少一种；优选地，所述微胶囊相变材料具有核壳结构，包括内核和外壳，其中内核为相变材料，外壳为成膜材料。5.根据权利要求1
‑
4任一项所述的材料，其中，所述超疏水光热层的厚度为50
‑
250μm。优选地，所述超疏水光热层的接触角大于等于154
°
；滚动角小于等于3
°
；附着力大于1
‑
2级，涂层硬度大于2H。6.根据权利要求1
‑
5任一项所述的材料，其中，所述疏水改性光热复合纤维材料选...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟靖昕，杨辉，贺志远，王树涛，王健君，
申请(专利权)人：中国科学院化学研究所，
类型：发明
国别省市：