一种防覆冰的疏水涂料及其制备方法和应用

本发明属于涂料，具体涉及一种防覆冰的疏水涂料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、气候变暖是人类面临的全球性问题，世界各国以全球协约的方式来减排温室气体。风力具有天然绿色属性，因此成为了重要的可再生能源之一，促进了风电领域不断发展，进而能够极大地减少二氧化碳的排放。然而，在冬季时风电叶片受水汽、冷空气和海拔影响，无论是在叶片静止状态下还是运行状态下，都很容易结冰。风机叶片覆冰后，不仅使得叶片原有的翼型改变，还大大影响了风电机组的载荷和出力，这对机组产生非常大的危害，使得风机的发电效率降低，因此针对风电叶片防覆冰的技术研究具有重要的现实意义。

2、目前，常用的除冰方法包括机械除冰、热力融冰、电磁除冰和超声波除冰等被动的除冰方法。近些年，主动除冰的方式越来越受到研究人员的重视，开发的防覆冰涂层也受到研究者们的青睐。自然界覆冰需要具备三个必要条件：一是大气内必须要有足够的过冷却水滴；二是大气内的过冷却水滴被材料表面所捕获；三是被捕获的过冷却水滴立即或在离开材料表面之前被冻结，而第一条件和第二条件属于自然现象，并且为不可控因素，因此只能从第三个方面进行改进，期望开发一种操作简单和成本低廉的防覆冰涂层使过冷却水滴在被冻结之前离开材料表面，从而达到防覆冰的效果。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种防覆冰的疏水涂料及其制备方法和应用。本发明以氟碳树脂和氟硅烷偶联剂作为低表面能物质，以有机疏水粒子构筑涂层内的粗糙结构，并采用固化剂制备得到可室温固化的防覆冰的疏水涂层。本发明的疏水涂料能够一次喷涂于风电叶片表面使其实现疏水，并且涂层固化后自上而下都存在粗糙结构，磨损后表面仍能露出新的能够实现疏水效应的表面，耐磨性优异，同时能够有效缓解风电叶片表面的覆冰现象，进而保证风电叶片的高效工作并延长其使用寿命。

2、为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：

3、第一方面，本发明提供一种防覆冰的疏水涂料，以所述疏水涂料的总质量为100％计，所述疏水涂料包括氟碳树脂3％-10％、氟硅烷偶联剂0.5％-4％、有机疏水粒子2％-10％、固化剂0.1％-3％和有机溶剂70％-90％。

4、在本发明中，防覆冰的疏水涂料通过从氟碳树脂和氟硅烷偶联剂低表面能物质以及微纳米结构的有机疏水粒子两方面来实现疏水效果，并将具有良好耐候性的氟碳树脂、表面能极低的氟硅烷偶联剂和不易团聚的有机疏水粒子混合均匀，提供粗糙结构，再利用氟硅烷偶联剂在空气中水解后分子间聚合和固化剂能够在室温下与羟基发生反应，将上述组分迅速固化。

5、在本发明中，所述氟碳树脂的重量百分含量为3％-10％，例如可以为3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％、10％。

6、在本发明中，通过调整所述氟碳树脂的重量百分含量，使得涂料在成膜后可与有机粒子相互作用，提供更好的粗糙结构，重量百分含量过低则会无法固定有机粒子，使得表面粗糙结构易被破坏，反之则会因树脂含量过多而包覆有机粒子，无法提供粗糙结构。

7、在本发明中，所述氟硅烷偶联剂的重量百分含量为0.5％-4％，例如可以为0.5％、0.7％、0.9％、1％、2％、3％、4％。

8、在本发明中，通过调整所述氟硅烷偶联剂的重量百分含量，使得水解后反应生成一层交联的致密网状疏水膜物质，降低涂层的表面能，进而能够和树脂反应或物理缠绕，会大大提高漆膜的附着力，抗腐蚀、抗摩擦、抗冲击的能力等，重量百分含量过低则会无法起到降低涂层表面能的作用，反之，用量过多也不会明显改善涂层的疏水性，并且此物质成本较高。

9、在本发明中，所述有机疏水粒子的重量百分含量为2％-10％，例如可以为2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％、10％。

10、在本发明中，通过调整所述有机疏水粒子的重量百分含量，提供疏水涂层所需的粗糙结构，重量百分含量过低则会无法构筑表面的粗糙结构，反之，颗粒含量越多，树脂无法固定，粒子容易脱落，使得表面粗糙结构易被破坏。

11、在本发明中，所述固化剂的重量百分含量为0.1％-3％，例如可以为0.1％、0.2％、0.5％、0.7％、1％、1.2％、1.5％、1.8％、2％、2.2％、2.5％、2.8％、3％。

12、在本发明中，通过调整所述固化剂的重量百分含量，以此增加涂层的交联密度，使涂层较硬，具有耐冲击性和较好的柔韧性，重量百分含量过低则会，固化时间较慢，涂层的硬度、耐腐蚀性和耐冲击性较差，甚至涂层较软，反之，固化剂有残留，浪费原料。

13、在本发明中，所述有机溶剂的重量百分含量为70％-90％，例如可以为70％、72％、75％、78％、80％、82％、85％、88％、90％。

14、优选地，以所述疏水涂料的总质量为100％计，所述疏水涂料包括氟碳树脂4％-8％、氟硅烷偶联剂0.5％-3％、有机疏水粒子4％-10％、固化剂0.5％-3％和有机溶剂80％-90％。

15、优选地，所述氟碳树脂与固化剂的质量比为(8-12):1，例如可以为8:1、9:1、10:1、11:1、12:1。

16、在本发明中，通过调整氟碳树脂与固化剂的质量比，以此增加涂层的交联密度，使涂层较硬，具有耐冲击性和较好的柔韧性，重量百分含量过低则会，固化时间较慢，涂层的硬度、耐腐蚀性和耐冲击性较差，甚至涂层较软，反之，固化剂有残留，浪费原料。

17、优选地，所述氟碳树脂、氟硅烷偶联剂和有机疏水粒子的总质量与有机溶剂的质量比为1:(4-8)，例如可以为1:4、1:5、1:6、1:7、1:8。

18、优选地，所述氟碳树脂为feve氟碳树脂。

19、优选地，所述氟硅烷偶联剂包括十七氟癸基三乙氧基硅烷、十七氟癸基三甲氧基硅烷、十三氟辛基三乙氧基硅烷、十三氟辛基三甲氧基硅烷或十三氟辛基三氯硅烷中的任意一种或至少两种的组合，例如可以为十七氟癸基三乙氧基硅烷和十七氟癸基三甲氧基硅烷、十三氟辛基三乙氧基硅烷、十三氟辛基三甲氧基硅烷或十三氟辛基三氯硅烷，但不限于所列举的种类，氟硅烷偶联剂范围内未列举的种类同样适用。

20、优选地，所述有机疏水粒子为聚四氟乙烯微粉。

21、在本发明中，相比无机纳米粒子，采用有机疏水粒子作为纳米粒子提供粗糙结构，更不易团聚、热稳定性好和更耐酸碱腐蚀。

22、优选地，所述有机疏水粒子的平均粒径为150-250nm，例如可以为150nm、155nm、160nm、165nm、170nm、175nm、180nm、200nm、220nm、250nm。

23、在本发明中，通过控制有机疏水粒子的平均粒径，能够提供疏水涂层所需的微纳米粗糙结构。

24、优选地，所述固化剂为二异氰酸酯类化合物和/或三异氰酸酯类化合物。

25、优选地，所述二异氰酸酯类化合物包括六亚甲基二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯或苯基二异氰酸酯。

26、优选地，所述三异氰酸酯类化合物包括苯基三异氰酸酯。

27、优选地，所述有机溶剂包括甲苯、二甲苯、乙酸乙酯或乙酸丁酯中的任意一种或至少两种的组合，例如可以为甲苯和二甲苯、乙酸乙酯或乙酸丁酯，但不限于所列举的种类，有机溶剂范围内未列举的种类同样适用。

28、第二方面，本发明提供了一种制备第一方面所述的疏水涂料的方法，所述方法包括以下步骤；

29、将氟碳树脂、氟硅烷偶联剂、有机疏水粒子和有机溶剂进行混合，得到乳液后加入固化剂进行二次混合，得到所述疏水涂料。

30、优选地，所述混合在超声和搅拌下进行。

31、优选地，所述搅拌包括磁力搅拌或机械搅拌。

32、第三方面，本发明提供了一种防覆冰的疏水涂层，所述疏水涂层为将第一方面所述的疏水涂料在基底表面进行喷涂处理制备得到。

33、本发明提供的防覆冰疏水涂料喷涂形成涂层后，随着涂料中溶剂的挥发，涂层中低表面能组分逐渐聚合并向涂层表面迁移，并随之聚合，粒子以颗粒形态分布于涂层表面，涂层靠近基底的一侧以树脂为主，从而在保证所述涂层和基体之间良好的附着力以及涂层优异机械性能的基础上，提高了涂层的水接触角。

34、优选地，所述喷涂处理的压力为40-50psi，例如可以为40psi、42psi、45psi、47psi、49psi、50psi。

35、优选地，所述喷涂处理的垂直距离为10-15cm，例如可以为10cm、11cm、12cm、13cm、14cm、15cm。

36、优选地，所述喷涂处理前还包括对基底进行打磨和洗涤处理。

37、优选地，所述洗涤包括乙醇洗涤和去离子水洗涤。

38、第三方面，本发明提供了一种风电叶片，所述风电叶片包括叶片和涂覆在叶片表面的根据第三方面所述的疏水涂层。

39、相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

40、本发明提供了一种防覆冰的疏水涂料，采用有机疏水粒子提供粗糙结构，利用氟硅烷偶联剂低表面能物质、氟碳树脂和有机疏水粒子微纳米结构相互作用，使得涂料自上而下均存在粗糙结构和低表面能的组分，磨损后表面仍能露出新的表面继续发挥疏水效应，并且耐磨性优异，涂覆后使得风电叶片沾水即形成滚动的小水球，继而小水球脱离叶片表面，进而能够实现风机的安全运转和提高发电量；

41、本发明采用的喷涂处理方法能够促进液滴滚落、影响或延迟结晶过程以及降低结晶后冰对基质的附着力，缓解叶片覆冰，喷涂一次成型，在室温下即可固化，制备方法成本低和操作方便，易于实际应用。