一种基于超长链黏弹性表面活性剂的除冰防冰液及其制备方法与流程

本发明属于物体表面除冰防冰领域，具体涉及一种除冰防冰液及其制备方法。

背景技术：

在零下温度且湿润的环境下，物体表面(比如道路、电缆、飞机外表面)极易结冰，严重影响人们生活，并且会造成极大的安全隐患。除冰、防冰是保证极端环境下安全的重要措施，而使用除冰防冰液是最有效的除冰、防冰方法。除冰防冰液不仅可以融化物体表面的结冰，还能够在一定时间内防止结冰，因而能够保证安全。

目前使用的除冰防冰液成分大多非常复杂，主要包括增稠剂、表面活性剂、缓蚀剂、稳定剂、冰点降低剂、pH缓冲剂以及水等。增稠剂是其中的关键成分，主要用于调节除冰防冰液的流变性能，使其具有高粘度和剪切变稀特性。现有增稠剂以聚合物为主，包括人工合成聚合物如聚丙烯酸类、聚乙烯醇类、聚丙烯酰胺类等，天然聚合物如瓜尔胶、黄原胶等。

聚合物增稠剂是目前大多数除冰防冰液必不可少的组分，然而大多数聚合物增稠剂制备工艺复杂，成本高，而且由于其特殊的结构和功能基团往往需要加入稳定剂、pH缓冲剂以及缓蚀剂等以保证其安全使用，进一步使除冰防冰液的成分和制备工艺复杂化。另一方面，除冰防冰液在使用过程中通常需要经历高剪切速率的喷涂作业，此类除冰防冰液会产生聚合物分子链机械降解，进而对除冰防冰液流变性能(如表观黏度、剪切稀释特性等)造成不可逆的影响。此外，聚合物型除冰防冰液在物体表面干燥后会形成凝胶状物质，带来安全问题。如附着在飞机升降舵表面上的聚合物除冰防冰液形成凝胶后会严重影响飞行安全。

公开号为CN105199671A的专利申请公开了“一种通过低聚阳离子表面活性剂增稠的防冰液及其制备方法”，得到一种基于低聚阳离子表面活性剂的防冰液，但其使用的阳离子表面活性剂需要在高浓度条件下外加阴离子化合物的作用下才能起到增黏作用，外加剂的使用这不仅增加了对物体表面腐蚀的隐患，而且容易造成防冰液体系的不稳定，进而影响使用的安全性。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于超长链黏弹性表面活性剂的非牛顿流体型除冰防冰液及其制备方法，以便不使用聚合物增稠剂，在简化除冰防冰液成分和制备工艺的同时，保证除冰防冰液的性能和使用安全性。

本发明所述基于超长链表面活性剂的非牛顿流体型除冰防冰液，其组分及各组分的质量百分含量如下：去离子水35％～94％，醇5％～64％，超长链黏弹性表面活性剂0.5％～15％。

上述基于超长链黏弹性表面活性剂的非牛顿型除冰防冰液，所述超长链黏弹性表面活性剂为碳原子数18～24的饱和、不饱和烷烃表面活性剂中的至少一种。如饱和烷烃表面活性剂油酸钠、花生酸钠、二十烷基二甲基甜菜碱、二十二烷基二甲基氧化胺等；不饱和烷烃表面活性剂N-(顺-二十二碳-9-烯酸酰胺基丙基)-N,N-二甲基羧酸甜菜碱、N-(顺-十八碳-9-烯酸酰胺基丙基)-N,N-二甲基羧酸甜菜碱、芥酸钠等。

上述基于超长链黏弹性表面活性剂的非牛顿流体型除冰防冰液，所述不饱和烷烃表面活性剂优选为N-(顺-二十二碳-9-烯酸酰胺基丙基)-N,N-二甲基羧酸甜菜碱和/或N-(顺-十八碳-9-烯酸酰胺基丙基)-N,N-二甲基羧酸甜菜碱。

上述基于超长链黏弹性表面活性剂的非牛顿流体型除冰防冰液，所述醇为碳原子数2～5的一元、二元、多元烷基醇中的至少一种。所述一元烷基醇优选为乙醇，二元烷基醇优选为乙二醇，三元烷基醇优选为丙三醇。

本发明提供的上述基于超长链黏弹性表面活性剂的非牛顿流体型除冰防冰液的制备方法，将去离子水、醇混合均匀，再与超长链黏弹性表面活性剂混合并搅拌至超长链黏弹性表面活性剂完全溶解并混合均匀。

本发明中，所述超长链表面活性剂均为现有产品，可通过市场购买或自制。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明为物体表面除冰、防冰操作提供了一种新的除冰防冰液。

2.本发明所述除冰防冰液不含有聚合物增稠剂，成分和制备工艺均简单，干燥后不会在物体表面形成水凝胶，避免带来安全隐患。

3.本发明所述除冰防冰液使用时不需要添加任何外加剂，使用方便，且不含无机盐，对物体表面的腐蚀小，环境友好，因此具有良好的稳定性和使用安全性，可大规模生产和使用。

4.本发明所述除冰防冰液中的黏弹性表面活性剂通过自组装形成蠕虫状胶束后水溶液会表现出类似于聚合物溶液的黏弹性，在经过机械剪切后其黏度和黏弹性能够快速可逆回复，因此本发明所述除冰防冰液可以维持较高的黏度和剪切变稀特性，而且由于其非牛顿流体特性，有利于在物体表面的粘附，具有低表面张力、高剪切变稀特性，满足作为除冰防冰液的要求。

5.本发明所述除冰防冰液具有耐低温的特点，其冰点能低于-40℃，在-40～20℃均可使用。

6.本发明所述除冰防冰液的配方中，可通过改变醇的种类、含量以及表面活性剂的浓度等，实现对防冰液流变性能的调节。

附图说明

图1是实施例1中1.34wt％的N-(顺-二十二碳-9-烯酸酰胺基丙基)-N,N-二甲基羧酸甜菜碱与水/乙二醇混合溶剂组成的除冰防冰液在不同温度下的黏度—剪切速率关系图。

图2是实施例2中1.34wt％的N-(顺-二十二碳-9-烯酸酰胺基丙基)-N,N-二甲基羧酸甜菜碱在与不同含量的水/乙二醇混合溶剂组成的四种除冰防冰液在20℃下的黏度—剪切速率关系图。

图3是实施例3中3.57wt％的N-(顺-二十二碳-9-烯酸酰胺基丙基)-N,N-二甲基羧酸甜菜碱与水/乙醇混合溶剂组成的除冰防冰液在-20℃时黏度—剪切速率关系图。

图4是实施例4中1.25wt％的N-(顺-二十二碳-9-烯酸酰胺基丙基)-N,N-二甲基羧酸甜菜碱与水/丙三醇混合溶剂组成的除冰防冰液在-20℃时的黏度—剪切速率关系图。

图5是实施例5中7.40wt％的N-(顺-十八碳-9-烯酸酰胺基丙基)-N,N-二甲基羧酸甜菜碱与水/丙三醇混合溶剂组成的除冰防冰液在不同温度下的黏度—剪切速率关系图。

图6是实施例7中2.22wt％的N-(顺-二十二碳-9-烯酸酰胺基丙基)-N,N-二甲基羧酸甜菜碱与水/乙二醇组成的除冰防冰液在铝片表面上的防结冰效果图。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明所述基于超长链黏弹性表面活性剂的非牛顿流体型除冰防冰液及其制备方法做进一步说明。

以下实施例中，所用超长链黏弹性表面活性剂为实验室自制，制备方法参见Chu Z,Feng Y(2009)A facile route towards preparation of ultra-long-chain amidosulfobetaine surfactants.Synlett 20:2655–2658，所述醇均为市场试剂公司购买。

以下实施例中除冰防冰液表观黏度与剪切速率的关系通过旋转流变仪(Anto Paar，MCR301)测试。

以下实施例中，除冰防冰液制备过程中的加热(50℃)，其目的是为了加快超长链黏弹性表面活性剂的溶解，对除冰防冰液的性能无影响，也可不加热直接搅拌至超长链黏弹性表面活性剂溶解并混合均匀。

实施例1

本实施例中，所述除冰防冰液的配方如下表：

制备：在室温下将配方量的乙二醇加入到去离子水中混合均匀，再加入N-(顺-二十二碳-9-烯酸酰胺基丙基)-N,N-二甲基羧酸甜菜碱，并升温至50℃搅拌至N-(顺-二十二碳-9-烯酸酰胺基丙基)-N,N-二甲基羧酸甜菜碱完全溶解(时间1小时)并混合均匀得到除冰防冰液。

分别在-20℃、-10℃、0℃、10℃、20℃下测定除冰防冰液表观黏度与剪切速率的关系，结果如图1所示。由图1可知，在低剪切速率下，该除冰防冰液上述温度时均表现出较高的表观黏度，而随着剪切速率增加，黏度明显下降，即表现出明显的剪切变稀特性，符合非牛顿流体型除冰防冰液的流变性能要求。

实施例2

本实施例中制备了四种除冰防冰液，各除冰防冰液的配方如下表。

每种除冰防冰液的制备：在室温下将配方量的乙二醇加入到去离子水中混合均匀，再加入N-(顺-二十二碳-9-烯酸酰胺基丙基)-N,N-二甲基羧酸甜菜碱，并升温至50℃搅拌至N-(顺-二十二碳-9-烯酸酰胺基丙基)-N,N-二甲基羧酸甜菜碱完全溶解(时间1小时)并混合均匀得到除冰防冰液。

在20℃下测定各除冰防冰液的表观黏度与剪切速率的关系，结果见图2。由图2可知：(1)在低剪切速率下，四种除冰防冰液在20℃均表现出较大的表观黏度，而随着剪切速率增加，黏度明显下降，即表现出明显的剪切变稀特性。(2)随着乙二醇含量增加，除冰防冰液表观黏度逐渐降低，但依然具有明显的剪切变稀特性，满足非牛顿流体型除冰防冰液的流变性能要求。

实施例3

本实施例中，所述除冰防冰液的配方如下表：

制备：在室温下将配方量的乙醇加入到去离子水中并混合均匀，再加入N-(顺-二十二碳-9-烯酸酰胺基丙基)-N,N-二甲基羧酸甜菜碱，并升温至50℃搅拌至N-(顺-二十二碳-9-烯酸酰胺基丙基)-N,N-二甲基羧酸甜菜碱完全溶解(时间1小时)并混合均匀得到除冰防冰液。

在-20℃下测定剪切速率与表观黏度的关系，结果如图3所示。由图3可知，在低剪切速率下，该除冰防冰液表现出较高的表观黏度，而随着剪切速率增加，表观黏度明显下降，即表现出明显的剪切变稀特性,，符合非牛顿流体型除冰防冰液的流变性能要求。

实施例4

本实施例中，所述除冰防冰液的配方如下表：

制备：在室温下将配方量的丙三醇加入到去离子水中并混合均匀，再加入N-(顺-二十二碳-9-烯酸酰胺基丙基)-N,N-二甲基羧酸甜菜碱，并升温至50℃搅拌至N-(顺-二十二碳-9-烯酸酰胺基丙基)-N,N-二甲基羧酸甜菜碱完全溶解(时间1小时)并混合均匀得到除冰防冰液。

在-20℃下测定表观黏度与剪切速率的关系，结果如图4所示。由图4可知，在低剪切速率下，该除冰防冰液表现出较高的表观黏度，而随着剪切速率增加，黏度明显下降，即表现出明显的剪切变稀特性，符合非牛顿流体型除冰防冰液的流变性能要求。

实施例5

本实施例中，所述除冰防冰液的配方如下表：

制备：在室温下将配方量的丙三醇加入到去离子水中并混合均匀，再加入N-(顺-十八碳-9-烯酸酰胺基丙基)-N,N-二甲基羧酸甜菜碱，并升温至50℃搅拌至N-(顺-十八碳-9-烯酸酰胺基丙基)-N,N-二甲基羧酸甜菜碱完全溶解(时间1小时)并混合均匀得到除冰防冰液。

分别在0℃和-7.5℃下测定表观黏度与剪切速率的关系，结果如图5所示。由图5可知，上述温度时，在低剪切速率下该除冰防冰液表现出稳定的剪切平台，且表观黏度较大，而随着剪切速率增加，黏度明显下降，即表现出明显的剪切变稀特性，符合非牛顿流体型除冰防冰液的流变性能要求。

实施例6

本实施例中包含五种除冰防冰液，各除冰防冰液的配方如下表。

每种除冰防冰液的制备：在室温下将配方量的乙二醇加入到去离子水中并混合均匀，再加入N-(顺-二十二碳-9-烯酸酰胺基丙基)-N,N-二甲基羧酸甜菜碱，并升温至50℃搅拌至N-(顺-二十二碳-9-烯酸酰胺基丙基)-N,N-二甲基羧酸甜菜碱完全溶解(时间1小时)并混合均匀得到除冰防冰液。

根据中华人民共和国石油化工行业标准SH/T 0090-91测定五种除冰防冰液的冰点，五种除冰防冰液的冰点分别为-43.3℃、-41.5℃、-44.6℃、-45.4℃、-44.8℃，说明本发明所述除冰防冰液具有较低的冰点，能在极寒环境下使用。

实施例7

本实施例中，所述除冰防冰液的配方如下表：

制备：在室温下将配方量的乙二醇加入到去离子水中并混合均匀，再加入N-(顺-二十二碳-9-烯酸酰胺基丙基)-N,N-二甲基羧酸甜菜碱，并升温至50℃搅拌至N-(顺-二十二碳-9-烯酸酰胺基丙基)-N,N-二甲基羧酸甜菜碱完全溶解(时间1小时)并混合均匀得到除冰防冰液。

将一个宽1.5厘米、长8厘米的铝片下半部分浸入上述除冰防冰液中，使铝片下半部分表面粘附上除冰防冰液。再将该铝片放置在温度为-20℃、相对湿度为40％的环境下。放置3个小时后发现，没有粘附除冰防冰液的铝片的上半部表面几乎全部结冰，而粘附了除冰防冰液的铝片下半部表面几乎没有变化，表现出较好的防结冰性能，如图6所示。