一种超疏水亲水间隔涂覆控冰叶片及方法与流程

本发明属于风力发电机技术领域，尤其是涉及一种超疏水亲水间隔涂覆控冰叶片及方法。

背景技术：

1.固体润湿

固体润湿现象涉及液态、气态、固态三相特征，不考虑表面性质的模型为杨氏(young)模型。

1.1杨氏模型：

介绍了固体表面润湿与三相界面表面张力的基本关系(杨氏接触角关系图见图1和图2)，其中固-气的界面张力为γsg，固-液的界面张力为γsl，固-液的界面张力γlg，则界面的接触角为：

2.超疏水与亲水表面

超疏水原理是杨氏方程解释了表面张力越大接触角越大，亦解释为表面自由能越小接触角越大(接触角、滚动角、滞后角的示意图见图3)，例如：在固体表面水银比水接触角大。

滚动角的大小表征了固体表面的滞后现象，所以只有拥有较大的接触角和较小的滚动角才是真正意义上的超疏水表面接触角。接触角θ>150°,滚动角θ<10°的表面叫做超疏水表面。θ<90°的表面叫做亲水表面。

3.水滴的合并迁移

由于液滴比较小重力与表面张力相当，在微重力环境中的液滴或气泡热毛细迁移，是由相自由界面上温度分布的不均匀引起的界面张力梯度所驱动的液滴或气泡的宏观运动现象。

超疏水表面冷凝研究发现，冷凝液滴能融合而后快速地自发迁移，即形成持续的滴状冷凝。冷凝水滴在超疏水表面的合并离开是导致该超疏水表面在冷凝前后都具有优异的超疏水性的主要原因。冷凝液滴在结冰前自发合并后弹跳走，就达到防冰的目的。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明旨在提出一种超疏水亲水间隔涂覆控冰叶片，将亲水涂层引入转捩点，可引导风力发电机在冰冻灾害下的叶片结冰方式，避免无序生长影响发电。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种超疏水亲水间隔涂覆控冰叶片，包括叶片本体，叶片本体表面的转捩点或转捩点附近位置处设有第一亲水涂层。

进一步的，所述叶片本体表面本身为疏水材质。

进一步的，所述的超疏水亲水间隔涂覆控冰叶片，还包括设在叶片本体表面的迎风叶缘位置处设有第一超疏水涂层。

进一步的，所述叶片本体表面上相邻两个转捩点或转捩点附近位置处的第一亲水涂层之间的区域、转捩点或转捩点附近位置处的第一亲水涂层与叶片本体边缘之间的区域内均涂覆有第二超疏水涂层；第二超疏水涂层与第一超疏水涂层连贯为一体。

进一步的，第一亲水涂层与第一超疏水涂层的夹角为直角或锐角。

进一步的，所述的超疏水亲水间隔涂覆控冰叶片，还包括第二亲水涂层；所述第二亲水涂层设在所有第二超疏水涂层、第一亲水涂层远离第一超疏水涂层一侧。

进一步的，第二亲水涂层成连续的带状，且与所有的第一亲水涂层、第二超疏水涂层远离第一超疏水涂层一侧紧贴。

进一步的，第二亲水涂层由多个单独设在各个第一亲水涂层远离第一超疏水涂层一侧的子亲水涂层构成；相邻的两个子亲水涂层之间留有间隙，且每个子亲水涂层远离第一亲水涂层一侧均设有第一凹槽；第一凹槽内涂覆有第三超疏水涂层；第一凹槽外设有第三亲水涂层；相邻两个子亲水涂层及与其它们相对应的两个第三亲水涂层之间的区域均涂覆有第四超疏水涂层。

进一步的，所述的超疏水亲水间隔涂覆控冰叶片，还包括若干第五亲水涂层；若干第五亲水涂层分别设在若干第三亲水涂层远离第一亲水涂层一侧；相邻两个第五亲水涂层之间留有间隙，该间隙内涂覆有与第四超疏水涂层连通的第五超疏水涂层；第五亲水涂层与其所对应的第三亲水涂层的连接处向内凹，该内凹处涂覆有第六超疏水涂层；第一亲水涂层、子亲水涂层和第三亲水涂层的形状均为长条状、矩形、正方形、三角形、梯形、椭圆形或针状。

进一步的，所有亲水涂层的材质均为纳米亲水涂料；所有超疏水涂层的材质均为特种超疏水涂料；或者所有疏水材料均为基于有机硅丙烯酸酯树脂混合制备方式的疏水性涂层，通过将有机硅丙烯酸酯树脂与二甲亚砜溶剂按不同比例混合，并掺入5-8wt％的无机纳米二氧化硅颗粒制得不同参数的疏水性涂层溶液；所有亲水涂层和超疏水涂层的厚度均在0.3-0.5mm，甚至更厚，但是厚度越大，成本越高。

进一步的，叶片表面上第一亲水涂层所在位置均设有一第二凹槽，第二凹槽表面涂覆所述第一亲水涂层；第二凹槽的深度从靠近第一超疏水涂层一侧向远离第一超疏水涂层逐渐增大；第二凹槽内填充有高分子聚氨酯；第二凹槽顶部设有网板；网板与叶片本体表面平齐，且网板表面均涂覆有第四亲水涂层；网板上表面的第四亲水涂层与叶片本体表面平齐。

进一步的，第一亲水涂层和第四亲水涂层的材质均为纳米亲水涂料；第一超疏水涂层的材质为特种超疏水涂料。

本发明还涉及一种如上所述的超疏水亲水间隔涂覆控冰叶片的制备方法，将遮挡膜铺设在叶片本体表面相应的位置，在各亲水涂层、超疏水涂层相应的位置所对应的遮挡膜上开孔形成镂空，并按照所述超疏水亲水间隔涂覆控冰叶片上各亲水涂层和超疏水涂层的分布形式，在各个镂空位置涂覆相应的亲水涂料或疏水涂料；或者，先根据所述超疏水亲水间隔涂覆控冰叶片上各亲水涂层和超疏水涂层的分布形式制作开有镂空的遮挡膜，再将遮挡膜覆盖在叶片本体表面相应位置，之后涂覆亲水涂料或疏水涂料。

相对于现有技术，本发明所述的一种超疏水亲水间隔涂覆控冰叶片具有以下优势：

(1)本发明所述的一种超疏水亲水间隔涂覆控冰叶片，通过在转捩点或其附近引入亲水涂层，叶片本体表面的迎风叶缘位置处和亲水涂层之间设置超疏水涂层，可通过亲水张力引导后续冰层生长，控制宏观冰层的生长方式，避免无序生长影响叶片气动性能甚至引起共振倒塔。

(2)本发明所述的一种超疏水亲水间隔涂覆控冰叶片，亲水涂层和超疏水涂层间隔设置，两个相邻间隔且接触角差异较大的界面表面会形成不同的表面张力产生的“势能”，利用疏水、亲水特性，疏水界面为微小液滴的迁移、合并、无序滚动的表面，亲水界面为汇集、引流、传输的液流表面，进而实现引导冰层生长的目的，尤其适合解决明冰/雨凇。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为杨氏接触角关系图(接触角小于90度)；

图2为杨氏接触角关系图(接触角大于90度)；

图3为接触角、滚动角、滞后角的示意图；

图4为本发明一种超疏水亲水间隔涂覆控冰叶片实现冰的生长方式控制的原理图一；

图5为本发明一种超疏水亲水间隔涂覆控冰叶片实现冰的生长方式控制的原理图二；

图6为本发明实施例1所述的超疏水亲水间隔涂覆控冰叶片转捩点处的简单结构示意图；

图7为本发明实施例1所述的超疏水亲水间隔涂覆控冰叶片转捩点处纵剖简单结构示意图；

图8为本发明实施例1所述的超疏水亲水间隔涂覆控冰叶片转捩点处第一亲水涂层倾斜设置的简单结构示意图；

图9为本发明实施例2所述的超疏水亲水间隔涂覆控冰叶片转捩点处的简单结构示意图；

图10为本发明实施例3所述的超疏水亲水间隔涂覆控冰叶片转捩点处的简单结构示意图；

图11为本发明实施例5所述的超疏水亲水间隔涂覆控冰叶片转捩点处的简单结构示意图；

图12为本发明实施例4所述的超疏水亲水间隔涂覆控冰叶片转捩点处的简单结构示意图；。

图13为本发明实施例6所述的超疏水亲水间隔涂覆控冰叶片的简单结构示意图(只画出了第一疏水涂层)；

图14为本发明实施例7所述的超疏水亲水间隔涂覆控冰叶片转捩点处的简单结构示意图。

附图标记说明：

1-叶片本体；2-第一超疏水涂层；3-第一亲水涂层；4-第二超疏水涂层；5-第二亲水涂层；501-子亲水涂层；6-第三超疏水涂层；7-第三亲水涂层；8-第四超疏水涂层；9-第二凹槽；10-高分子聚氨酯；11-网板；12-第四亲水涂层；13-第五亲水涂层；14-第五超疏水涂层；15-第六超疏水涂层。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本发明的所述的一种超疏水亲水间隔涂覆控冰叶片的原理图见图4和图5。超疏水表面水的接触角很大，亲水材料水的接触角很小，在涂料应用方面都采取不同的涂料，本发明介绍了一种同时使用超疏水、亲水涂料的方法。利用涂料的特性，引导风力发电机在在冰冻灾害下的叶片结冰方式，避免无序生长影响发电。本发明提供间隔涂层法主要目的不是防冰、除冰而是控冰，即控制冰的生长方式，但是间隔涂层方法不操作超疏水或亲水的的微观粗糙表面，而是通过间隔涂层控制宏观的冰层生长。

两个相邻间隔且接触角差异较大的界面表面会形成不同的表面张力产生的“势能”。利用疏水、亲水特性，疏水界面为微小液滴的迁移、合并、无序滚动的表面，亲水界面为汇集、引流、传输的液流表面。通过形成间隔设置的亲水涂层、超疏水涂层，可以将通过亲水张力引导后续冰层生长。

以下通过多个具体的实施例来说明本发明。

实施例1

如图6和图7所示一种超疏水亲水间隔涂覆控冰叶片，包括叶片本体1，叶片本体1表面的迎风叶缘位置处设有第一超疏水涂层2，叶片本体1表面的转捩点位置处设有第一亲水涂层3。

叶片本体1表面上相邻两个转捩点位置处的第一亲水涂层3之间的区域、转捩点位置处的第一亲水涂层3与叶片本体1边缘之间的区域内均涂覆有第二超疏水涂层4；第二超疏水涂层4与第一超疏水涂层2连贯为一体。

为了引导冰的生产方向，第一亲水涂层3与第一超疏水涂层2的夹角为直角。在一些情况下也可以为锐角，如图8所示。

第一亲水涂层3的形状均为长条状、矩形、正方形、三角形、梯形、椭圆形或针状。本实施例中第一亲水涂层3的形状为长条状。

第一亲水涂层3的材质采用xz-gt01纳米亲水涂料(合肥翔正化学科技生产)；第一超疏水涂层2的材质采用sm-fc3160-特种超疏水涂料(尚蒙科技无锡有限公司生产)；第一亲水涂层3和第二超疏水涂层4的厚度均为0.4mm；叶片表面的底漆材质为疏水材质，具体为水性聚氨酯。

本实施例中第一亲水涂层3和第一超疏水涂层2的设置，可以引导冰向后向远离转捩点的方向生长，且可以成条状生长。

上述的超疏水亲水间隔涂覆控冰叶片的制备方法，先根据所述超疏水亲水间隔涂覆控冰叶片上各亲水涂层和超疏水涂层的分布形式制作开有镂空的遮挡膜，再将遮挡膜覆盖在叶片本体表面相应位置，之后涂覆亲水涂料或疏水涂料，具体可以采用0.8mpa空气压缩机将涂料(亲水或疏水)喷涂于风机叶片上，喷嘴粒径≤0.5mm。

实施例2

本实施例的超疏水亲水间隔涂覆控冰叶片与实施例1基本相同，不同之处在于：

为了引导冰成针状生长，如图9所示，所述的超疏水亲水间隔涂覆控冰叶片，还包括第二亲水涂层5；所述第二亲水涂层5设在所有第二超疏水涂层4、第一亲水涂层3远离第一超疏水涂层2一侧。

第二亲水涂层5成连续的带状，且与所有的第一亲水涂层3、第二超疏水涂层4远离第一超疏水涂层3一侧紧贴。

第一亲水涂层的宽度为1cm，相邻两个第一亲水涂层之间的间距(也即两者之间的第二超疏水涂层的宽度)为6cm，第二亲水条长度(沿第一亲水涂层从靠近第一超疏水涂层到远离第一超疏水涂层一侧的方向)为2cm。

所有亲水涂层的材质均为采用xz-gt01纳米亲水涂料(合肥翔正化学科技生产)；所有超疏水涂层的材质均采用sm-fc3160-特种超疏水涂料(尚蒙科技无锡有限公司生产)；所有亲水涂层和超疏水涂层的厚度均为0.3mm。

实施例3

本实施例的超疏水亲水间隔涂覆控冰叶片与实施例1基本相同，不同之处在于：为了引导冰成针状生长的效果更好一些，如图10所示，所述的超疏水亲水间隔涂覆控冰叶片，还包括第二亲水涂层5；所述第二亲水涂层5设在所有第二超疏水涂层4、第一亲水涂层3远离第一超疏水涂层2一侧。第一亲水涂层3垂直于第一超疏水涂层2设置。

第二亲水涂层5由多个单独设在各个第一亲水涂层3远离第一超疏水涂层2一侧的子亲水涂层501构成，子亲水涂层501的数量与第一亲水涂层的数量相当；相邻的两个子亲水涂层501之间留有间隙，该间隙小于相邻两个第一亲水涂层3之间的间距，也即子亲水涂层501的宽度大于其所对应的第一亲水涂层3的宽度。每个子亲水涂层501远离第一亲水涂层3一侧均设有第一凹槽；第一凹槽内涂覆有第三超疏水涂层6；第一凹槽外设有第三亲水涂层7；相邻两个子亲水涂层501及与其它们相对应的两个第三亲水涂层7之间的区域均涂覆有第四超疏水涂层8。第四超疏水涂层8的宽度大于相邻两个子亲水涂层501之间的间隙距离。

所有亲水涂层的材质均为采用xz-gt01纳米亲水涂料(合肥翔正化学科技生产)；所有超疏水涂层的材质均采用sm-fc3160-特种超疏水涂料(尚蒙科技无锡有限公司生产)；所有亲水涂层和超疏水涂层的厚度均为0.35mm。

实施例4

本实施例的超疏水亲水间隔涂覆控冰叶片与实施例3基本相同，不同之处在于：

如图12所示，超疏水亲水间隔涂覆控冰叶片，还包括若干第五亲水涂层13；若干第五亲水涂层13分别设在若干第三亲水涂层7远离第一亲水涂层3一侧；相邻两个第五亲水涂层13之间留有间隙，该间隙内涂覆有与第四超疏水涂层8连通的第五超疏水涂层14，此外，该间隙小于第四超疏水涂层8的宽度；第五亲水涂层13与其所对应的第三亲水涂层7的连接处向内凹，该内凹处涂覆有第六超疏水涂层15。

所有亲水涂层的材质均为采用xz-gt01纳米亲水涂料(合肥翔正化学科技生产)；所有超疏水涂层的材质均采用sm-fc3160-特种超疏水涂料(尚蒙科技无锡有限公司生产)；所有亲水涂层和超疏水涂层的厚度均为0.3mm。

第一亲水涂层3、第三亲水涂层7均为长条状，子亲水涂层501、第五亲水涂层13均为方块状。相邻两个第一亲水涂层3之间的间距为6cm，第一亲水涂层的宽度为1cm，长度为6cm；子亲水涂层501两侧超出与其所对应的第一亲水涂层3的部分的宽度为1cm，子亲水涂层501的长度(跟第一亲水涂层3长度方向一致方向上的尺寸)为2cm；第三亲水涂层7的尺寸可以跟第一亲水涂层3的尺寸一致，也可以根据需要调整；第五亲水涂层13的尺寸可以子亲水涂层501的尺寸一致，也可以根据需要调整；本实施例中第三亲水涂层7的宽度跟第一亲水涂层3基本相当，但长度略小；第五亲水涂层13的长度、宽度相较子亲水涂层都有减小。

实施例5

本实施例的超疏水亲水间隔涂覆控冰叶片与实施例1基本相同，不同之处在于：

如图11所示，根据权利要求2所述的超疏水亲水间隔涂覆控冰叶片，叶片表面上第一亲水涂层3所在位置均设有一第二凹槽9，第二凹槽9表面涂覆所述第一亲水涂层3；第二凹槽9的深度从靠近第一超疏水涂层2一侧向远离第一超疏水涂层2逐渐增大；第二凹槽9内填充有高分子聚氨酯10；第二凹槽9顶部设有网板11；网板11与叶片本体1表面平齐，且网板11表面均涂覆有第四亲水涂层12。

所有亲水涂层的材质均为采用xz-gt01纳米亲水涂料(合肥翔正化学科技生产)；所有超疏水涂层的材质均采用sm-fc3160-特种超疏水涂料(尚蒙科技无锡有限公司生产)。

实施例6

工程实践或实验中，为了节省成本，可以只在叶片本体1表面的迎风叶缘位置部分涂覆第一超疏水涂层。

本实施例的超疏水亲水间隔涂覆控冰叶片与实施例1基本相同，不同之处在于：第一疏水涂层只涂复在叶片本体1表面的迎风叶缘位置距叶片本体尖细部1/3处。

实施例7

如图14所示，一种超疏水亲水间隔涂覆控冰叶片，包括叶片本体1，叶片本体1表面的转捩点位置处设有第一亲水涂层3。叶片本体1表面底漆本身为疏水材质，具体为水性聚氨酯。

所有亲水涂层的材质均为采用xz-gt01纳米亲水涂料(合肥翔正化学科技生产)；叶片本体1表面的疏水底漆的材质采用sm-fc3160-特种超疏水涂料(尚蒙科技无锡有限公司生产)。

第一亲水涂层3的形状为长条、方块、长条、方块连续分布的组合形状，且相邻两个亲水条之间的间距也是方块处的间距小于长条处的间距。一个优选的尺寸选择为：相邻两个第一亲水涂层3紧邻的两个长条之间的间距为6cm，长条的宽度为1cm，长条的长度为6cm；方块两侧超出长条的部分宽度为1cm，方块的长度(跟长条长度方向一致方向上的尺寸)为2cm。

需要说明的是，以上实施例中，所有超疏水涂层的疏水涂料均可用基于有机硅丙烯酸酯树脂混合制备方式的疏水性涂层，通过将有机硅丙烯酸酯树脂与二甲亚砜溶剂按不同比例混合，并掺入5-8wt％的无机纳米二氧化硅颗粒制得不同参数的疏水性涂层溶液(该材料为现有材料)进行替代。

还需要说明的是，风机叶型确认后，转捩点就确定了，不同长度风机叶片转捩点不同，所以相对位置也会有变化。同时对平均湿度大的地域，或者液态水含量丰富地区，两个亲水涂层(比如第一亲水涂层)也应该间距大些。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。