防冰雪材料和应用的制作方法

本发明属于冰冻、积雪防范材料技术领域，具体的是涉及一种防冰雪材料和应用。

背景技术：

结冰和积雪是材料表面在特定环境下发生的自然现象，由材料表面的润湿性决定。设备表面发生的结冰或积雪现象对于其正常运行具有巨大的潜在负面影响，导致诸多恶性运行事故的发生，造成巨大的生命财产损失。关于结冰和积雪的防范与清除成为航空、电力、交通等行业共同关注的重要课题，使得开发具有实用价值的防冰雪材料成为研究热点。结冰和积雪的发生，将会降低飞机的飞行性能；根据国际民用航空组织的统计数据，约三分之一的航空事故与飞机上结冰或积雪有关。2008年我国南方重大冰雪灾害导致的结冰和积雪致使灾区电网严重受损，造成的直接经济损失达千亿以上。作为中国制造代表的中国高铁，冬季为避免电力供应部件结冰，不得已在动车组入库后继续升起受电弓供电；此外，结冰和积雪严重影响悬挂设备通讯设施的正常运行。

目前针对结冰和积雪的处理手段可以分为两大类，即预处理和后处理。预处理技术包括液体防冰技术、电热防冰技术、气热防冰技术、蒸发防冰技术与流湿防冰技术等机械电气技术；近年来，借助材料科学技术手段，通过在部件表面构建低表面能的微纳米结构，达到防结冰的目的，但是该技术获得的表面功能层普遍存在耐候性差、不耐磨损等问题。后处理技术包括以气动带除冰为代表的机械技术、以电脉冲除冰为代表的加热技术、以喷洒融雪剂为代表的化学技术。相比于预处理技术，后处理技术形成不受控的结冰和积雪，可能对机械设备的性能产生不可逆的破坏；化学处理技术产生一定的环境污染，加热处理技术耗时长、能耗大，综合效益低。因此，针对结冰和积雪问题，如何提升预防能力，将预防与清除相结合取得更高的综合效益是本领域致力期望解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种防冰雪材料，以及解决现有结冰和积雪的后处理和预处理措施存在的能耗高、耐候性和耐磨损性能差导致防冰雪不稳定以及经济性欠佳的技术问题。

为了实现上述发明目的，本发明的一方面，提供了一种防冰雪材料。所述防冰雪材料包括基体，所述基体具有至少两个表面，所述基体的一表面上还结合有防冰雪功能层，所述防冰雪功能层由若干微纳米纤维构成，所述纤维一端嵌入至在所述基体内。

本发明的另一方面，提供了一种防冰雪材料的应用方法。所述防冰雪材料的应用方法是将本发明防冰雪材料在航空航天器、电力设备、交通运输设备、制冷设备的防范结冰、积雪中的应用。

与现有技术相比，本发明防冰雪材料通过若干微纳米纤维构成的防冰雪功能层能够有效抑制液滴在其表面的粘附、液化和铺展，达到防结冰的目的；同时还能抑制雪片在其表面的融化和粘附，有利于雪片在外力作用下的清除，实现防积雪。而且，该防冰雪功能层具有良好的耐磨损和耐候性能，提高了本发明防冰雪材料的耐用性。

由于本发明防冰雪材料具有良好的防冰冻和积雪效果，从而有效保证了相应设备如航空航天器、电力设备、交通运输设备、制冷设备的工作稳定性和安全性。另外，防冰雪材料耐用性好，而且其直接贴合于设备表面，有效提高了相应额设备防冰雪的经济成本和效率。

附图说明

图1是本发明实施例防冰雪材料的一种结构示意图；

图2是本发明实施例防冰雪材料所含的微纳米纤维与其嵌入基体表面之间的夹角大于0度，小于或等于90度的结构示意图；

图3是本发明实施例防冰雪材料的另一种结构示意图；

图4是图3所示防冰雪材料a部分所示外表面套设有管状第一套设件的纤维簇结构示意图；

图5是本发明实施例防冰雪材料的另一种结构示意图；

图6是图5所示防冰雪材料b部分所示外表面套设有管状第二套设件的纤维簇组的一种结构示意图；

图7是图5所示防冰雪材料b部分所示外表面套设有管状第二套设件的纤维簇组的另一种结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一方面，本发明实施例提供了一种具有良好防冰雪作用的防冰雪材料。所述防冰雪材料的结构如图1至4所示，其包括基体1，嵌接在基体1一表面的防冰雪功能层2。

其中，上述防冰雪材料所含的基体1作为防冰雪功能层2的载体。因此，在一实施例中，所述基体1的材料为可以是防冰雪领域常用的基材，只要是能够附载防冰雪功能层的所有基材均在本发明公开的范围，具体的如环氧树脂。在另一实施例中，所述基体的厚度为200-350μm，如300μm。通过对基体1的材料和厚度的控制，提高防冰雪功能层2的负载稳定性。在具体实施例中，该所述基体1具有相对的两个表面，所述防冰雪功能层2是镶嵌在所述基体1的其中一表面上，另一表面用于贴合被防冰雪部位表面。

上述防冰雪材料所含的防冰雪功能层2是由若干微纳米纤维21构成。具体是微纳米纤维21一端嵌入至所述基体内，另一端是背离基体1表面。基于该防冰雪功能层2的构成特点，防冰雪功能层2可以有如下几种结构：

第一种结构，防冰雪功能层2是只由若干微纳米纤维21构成，如图1所示。

第二种结构，在图1所示防冰雪材料的基础上，也即是若干微纳米纤维21镶嵌在基体1表面上，与此同时，在至少部分的所述微纳米纤维21被分为若干纤维簇22。在所述纤维簇22外表面套设有管状第一套设件23。本第二种防冰雪材料的结构如图3所示，套设有第一套设件23的该纤维簇22的结构如图4所示。

第三种结构，在图3所示防冰雪材料的基础上，也即是若干微纳米纤维21镶嵌在基体1表面上，且在纤维簇22外表面套设有管状第一套设件23。与此同时，以每套设有所述第一套设件23的所述纤维簇22为一纤维簇组24，在至少两组所述纤维簇组24外还套设有管状第二套设件25。或至少一组所述纤维簇组24与至少一根所述微纳米纤维21外还套设有管状第二套设件25。该第三种防冰雪材料的结构如图5所示，套设有第二套设件25的该纤维簇组24的结构如图6所示，套设有第二套设件25的至少一组所述纤维簇组24与至少一根所述微纳米纤维21的组合结构如图7所示。

在上述三种结构的也即是如图1-7所示的防冰雪材料中，所含的防冰雪功能层2均包括若干微纳米纤维21。因此，由微纳米纤维21构成的防冰雪功能层2通过若干微纳米纤维21的结构特性，从而能够有效抑制液滴在其表面的粘附、液化和铺展，达到防结冰的目的；同时还能抑制雪片在其表面的融化和粘附，有利于雪片在外力作用下的清除，实现防积雪作用。

另外，该若干微纳米纤维21可以是按照一定规则阵列嵌入在基体1内，也可以是无规则的嵌入在基体1内。优选的是阵列嵌入在基体1内。

由于微纳米纤维21是一端嵌入在基体1内，因此，微纳米纤维21与基体1表面之间具有一定角度范围的夹角，如图2所示。如在图2所示的一实施例中，构成防冰雪功能层2的微纳米纤维21与其嵌入基体1表面之间的夹角α大于0度，小于或等于90度，优选30度至60度。

在另一实施例中，微纳米纤维21在基体1表面上的分布密度为50-300根/cm²，优选的是100-300根/cm²。当将所述微纳米纤维21如上文那样被分成纤维簇22或纤维簇组24时，所述纤维簇22或纤维簇组24的分布密度为50-300组/cm²，如60组/cm²。在另一实施例中，微纳米纤维21的长度为60-500μm。在具体实施例中，微纳米纤维21埋入基底1中的长度为60-200μm，如100μm；延伸至基体1表面之外的部分的长度为100-300μm，如200μm。

在又一实施例中，微纳米纤维21的直径可以是微米级或纳米级，还可以是微米级和纳米级的混合纤维阵列。

上述通过优化微纳米纤维21在基体1表面分布，如分布密度、与其嵌入基体1表面之间的夹角α、分布规则的优化，以改善防冰雪功能层2的结构，从而提高防冰雪功能层2的防结冰和积雪效果。

在一实施例中，该微纳米纤维21可以是实心微纳米纤维或/和空心微纳米纤维；所述空心微纳米纤维的背离所述基体1的一端开口或/和封口。其中，“或/和”表示“和”的并列关系，也可以表示“或”的选择关系。如具体的微纳米纤维21可以是全部的实心微纳米纤维，也可以是全部的空心微纳米纤维，还可以是实心微纳米纤维和空心微纳米纤维的混合微纳米纤维。该混合微纳米纤维中的实心微纳米纤维和空心微纳米纤维可以是随机分布或者将实心微纳米纤维和空心微纳米纤维按照一定要求进行分布。

在具体实施例中，上述实心微纳米纤维21为聚四氟乙烯实心纤维、聚酰亚胺实心纤维、聚酯类纤维、聚苯砜酰胺纤维、酚醛纤维、碳纤维等中的至少一种，上述空心微纳米纤维为聚偏氟乙烯中空纤维、聚酰亚胺中空纤维、聚丙烯中空纤维、中空玻璃纤维、聚砜中空纤维、聚醚砜中空纤维、碳纳米管等中的至少一种。

在进一步实施例中，上述微纳米纤维21为空心微纳米纤维时，在所述空心微纳米纤维21的背离所述基体1的一端开口，且在所述空心微纳米纤维21内装设有用于降低表面能的液态物质(图未显示)。通过在空心微纳米纤维21内装设降低表面能的液态物质，从而降低空心微纳米纤维21的表面能，提高其疏水性，提高防冰冻和积雪效果。在具体实施例中，该液态物质为聚氟代丙烯酸酯、全氟硅烷、改性氟碳混合物等中的至少一种。通过选用该些液态物质具有良好的耐低温液态和低表面能特性，从而实现上述防冰雪功能层稳定和良好的防结冰或积雪效果。

在上述各实施例中的基础上，上文所述的如图3和4所示的第二种结构的防冰雪材料中，纤维簇22可以是按照随机或者按照阵列的规则将若干微纳米纤维21进行分组，分成若干组纤维簇22。每一组纤维簇22中所含有的微纳米纤维21至少两根以上。并在至少一组的纤维簇22外表面套设有管状第一套设件23。其中，优选的是在每一组纤维簇22外表面套设有管状第一套设件23。通过将微纳米纤维21分成若干组纤维簇22，并增设第一套设件23对防冰雪功能层2进行微结构的改进，从而提高防冰雪功能层2的防结冰和积雪效果。具体的是设置多重嵌套结构如第一套设件23和第二套设件25一方面形成微纳米嵌套结构，借助于具有多种尺寸的纤维，形成微纳米复合结构，结合填充的低表面能物质的存在，获得超疏水性能；另一方面形成从微观到宏观的结构重复性，这种重复结构的存在可以保持结构的相对稳定，如当表面受到摩擦等外力作用时，表面结构损坏可以最大程度抵消，从而可以有效保持其超疏水性能。

在具体实施例中，该管状第一套设件23的一端可以直接结合或者扣设在基体1表面上，也可以是随着微纳米纤维21嵌入在基体1内。其中，管状第一套设件23应该理解是通管状，也即是背离基体1的一端是开口的。在一实施例中，套设在一组纤维簇22外表面的第一套设件23的直径可以但不仅仅为100-500μm。第一套设件23的长度可以但不仅仅为240μm，其中，第一套设件23一端埋入基体1内的长度可以但不仅仅为80μm，延伸至基体1表面外的长度可以但不仅仅为160μm，其材料为但不仅仅是聚酰亚胺中空纤维。第一套设件23的长度可以与微纳米纤维的长度相近，如可以略长、略短或相等。

在另一具体实施例中，外表面套设有管状第一套设件23的纤维簇22中的微纳米纤维21可以是如上文所述的微纳米纤维21。如中空或实心的微纳米纤维21。其中，中空微纳米纤维21的背离所述基体1的一端可以是开口或/和封口。或者纤维簇22中的微纳米纤维21含有空心微纳米纤维，在所述空心微纳米纤维21的背离所述基体1的一端开口，且在所述空心微纳米纤维21内装设有用于降低表面能的液态物质。

上文所述的如图5-7所示的第三种结构的防冰雪材料中，选择套设在第二套设件25内的所述纤维簇组24可以是随机的，也可以是按照阵列选择。通过增设第二套设件25对防冰雪功能层2进行微结构的改进，从而提高防冰雪功能层2的防结冰和积雪效果。增设套件25的存在，可以实现不同尺度的复合，从而实现超疏水效果；另外，有利于低表面能物质借助于嵌套结构间存在的孔隙结构形成的毛细管吸力作用而保存。

在具体实施例中，同样，该管状第二套设件25与第一套设件23一样，其一端可以直接结合或者扣设在基体1表面上，也可以是随着微纳米纤维21嵌入在基体1内。其中，管状第二套设件25应该理解是通管状，也即是背离基体1的一端是开口的。在一实施例中，管状第二套设件25的直径可以但不仅仅为300μm，材料为但不仅仅是聚偏氟乙烯、聚丙烯、聚砜、聚醚砜。第二套设件25的长度可以与微纳米纤维的长度相近，如可以略长、略短或相等。

在另一具体实施例中，外表面套设有管状第一套设件23的纤维簇22中的微纳米纤维21可以是如上文所述的微纳米纤维21。如中空或实心的微纳米纤维21。其中，中空微纳米纤维21的背离所述基体1的一端可以是开口或/和封口。或者纤维簇22中的微纳米纤维21含有空心微纳米纤维，在所述空心微纳米纤维21的背离所述基体1的一端开口，且在所述空心微纳米纤维21内装设有用于降低表面能的液态物质。

在优选的一实施例中，在上文所述的如图5-7所示的第三种结构的防冰雪材料中，套设有所述第二套设件25和第一套设件23的所述纤维簇22中含有中空微纳米纤维21，且所述中空微纳米纤维21的背离所述基体1的一端开口，且在所述空心微纳米纤维21内装设有用于降低表面能的液态物质。还可以在第二套设件25和第一套设件23内的微纳米纤维21之间填充有用于降低表面能的液态物质。该降低表面能的液态物质如上文所述的降低表面能的液态物质。

在上述各实施例的基础上，上述各实施例中的防冰雪材料还包括粘结层4。该粘结层4是为了使得防冰雪材料能够方便并牢固的附着在需要被防冰冻和积雪的设备表面。如在图1-7所示的防冰雪材料结构中，基体1具有相对的两个表面，基体1的其中一表面结合有防冰雪功能层2，基体1的另一表面上还附着有粘结层3。

在进一步实施例中，在防冰雪功能层2外表面和/或粘结层3外表面层叠结合有保护层4(图未显示)。具体地，该保护层4可以是分离纸。该保护层4的存在，能够使得上述防冰雪材料在使用之前，其所含的粘结层4和表层部分结合有由若干纳米纤维构成的防冰雪功能层2外表面得到保护，保证了粘结层4的粘性和防冰雪层2的防冰冻和积雪性能。在上述防冰雪材料在使用时，直接撕去保护层，将通过粘结层4直接将上述防冰雪材料粘合在需要被防冰冻和积雪设备的表面。

当工作环境达满足结冰条件时，上述各实施例中防冰雪材料的工作原理如下：

由于上文所述的防冰雪材料含有防冰雪功能层2，由于防冰雪功能层2如上文所述的结构，防冰雪功能层2表面粘附力较小，使得液态水在防冰雪功能层2表面的铺展不能有效进行，从而实现有效抑制结冰的发生，同时使得积冰与表面的粘附力较小，进一步地结冰会反过来促进积冰与表面的剥离，抑制结冰的加剧。由于防冰雪功能层2表面较小的表面粘附力，一方面，可以抑制水蒸气在部件表面的液化，阻碍结冰的发生；另一方面，无法为水蒸气凝华形成的冰晶提供足够的粘附力，随着积冰的增加，积冰与表面的剥离趋势增加，使得结冰现象被控制在一定范围。当雪片落至防冰雪功能层2表面后，不但雪片的融化受到抑制，而且雪片与防冰雪功能层2表面粘附力较小。由于防冰雪功能层2的微纳米纤维结构的存在，防冰雪功能层2与积冰、雪片间存在隔离层如空气层、中空纤维内腔灌注的低表面能物质等，使得防冰雪功能层2与积冰、雪片的结合强度进一步降低，有利于稍后的清除(如自然风吹、低强度清扫)。

因此，上述防冰雪材料通过若干微纳米纤维21构成的防冰雪功能层2能够有效抑制液滴在其表面的粘附、液化和铺展，达到防结冰的目的；同时还能抑制雪片在其表面的融化和粘附，有利于雪片在外力作用下的清除，实现防积雪。而且，该防冰雪功能层具有良好的耐磨损和耐候性能，提高了本发明防冰雪材料的耐用性。

上文各实施例中所述的防冰雪材料可以根据使用方便性，将其设置成但不仅仅为带状或膜状。

正是由于上述防冰雪材料具有优异的防结冰和积雪效果，而且经济成本低，且方便使用，因此，上述防冰雪材料能够有效被用于航空航天器、电力设备、交通运输设备、制冷设备的防结冰和积雪处理，从而有效保证了相应设备如航空航天器、电力设备、交通运输设备、制冷设备的工作稳定性和安全性。

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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。