一种聚离子液体凝胶基多孔复合材料及其制备方法和用途与流程

本发明属于离子凝胶，具体涉及一种聚离子液体凝胶基多孔复合材料及其制备方法和用途。

背景技术：

1、风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。寒冷地区更高的空气密度会带来大约10％的额外发电量，因此风电场多建设在高纬度、高海拔的寒冷地区。这些地区冬季由于气温低、空气湿度大，极易造成风力发电机叶片覆冰。叶片覆冰改变叶片外型而使其气动性能改变，严重影响着风机的输出效率。同时，由于覆冰的增加，不仅叶片负荷加重严重影响其机械强度，而且叶片质量分布的不平衡，会产生不对称载荷，引发机械故障甚至停机。因此，针对风力发电机叶片除冰技术的研究具有重大现实意义。

2、电热除冰是利用电流通过导电网络时引起的焦耳热效应来防止覆冰的生成，进而导致基体表面水滴或积冰的脱落，最终达到除冰的目的。目前采用离子液体主要是直接使用离子液体的聚合物或者是将离子液体作为溶剂使用，但是这样获得的材料的除冰效率差。

技术实现思路

1、为了改善现有技术的不足，本发明的目的是提供一种聚离子液体凝胶基多孔复合材料及其制备方法和用途。所述聚离子液体凝胶基多孔复合材料能在预防冰物体表面形成具有低表面能的光滑涂层，冷凝后的水滴在结冰前更容易滚落，进而抑制了水滴的聚集和冰成核，延迟了覆冰时间。且本发明的聚离子液体凝胶基多孔复合材料为一种疏水材料，其无法与水形成氢键，水在其表面会形成很大的接触角，使其难以在表面聚集。同时由于复合材料的存在，冰与基体表面没有直接接触，冰会在表面滑移，降低冰粘附力。

2、本发明目的是通过如下技术方案实现的：

3、一种聚离子液体凝胶基多孔复合材料，所述聚离子液体凝胶基多孔复合材料包括聚离子液体凝胶和多孔材料，所述聚离子液体凝胶位于所述多孔材料的孔隙中。

4、根据本发明的实施方式，所述聚离子液体凝胶基多孔复合材料为疏水材料。具体的，水在所述聚离子液体凝胶基多孔复合材料表面的接触角大于120°。

5、根据本发明的实施方式，所述聚离子液体凝胶基多孔复合材料中，相对于100重量份聚离子液体凝胶，多孔材料为5～50质量份；具体的，多孔材料为5质量份、10质量份、15质量份、20质量份、25质量份、30质量份、35质量份、40质量份、45质量份或50质量份。

6、根据本发明的实施方式，所述多孔材料选自聚二甲基硅氧烷(pdms)多孔材料、分子筛、金属有机框架材料(mofs)、共价有机框架材料(cofs)等中的至少一种。

7、根据本发明的实施方式，所述多孔材料的孔隙率为15％～50％，例如为15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％或50％。

8、根据本发明的实施方式，所述多孔材料的孔径为1纳米～10微米，例如为1纳米、5纳米、10纳米、20纳米、50纳米、100纳米、200纳米、500纳米、800纳米、1微米、2微米、3微米、5微米、6微米、7微米、8微米、9微米或10微米。

9、示例性地，所述聚二甲基硅氧烷的孔隙率为15％～20％，孔径为1微米～10微米；还示例性地，所述分子筛的孔隙率为20％～50％，孔径为1微米～5微米；再示例性地，所述mofs或cofs的孔隙率20％～50％，孔径为1纳米～5纳米。

10、根据本发明的实施方式，形成所述聚离子液体凝胶的原料包括如下组分：

11、(1)离子液体；

12、(2)交联剂

13、(3)引发剂。

14、根据本发明的实施方式，形成所述聚离子液体凝胶的原料还包括如下组分：

15、(4)催化剂。

16、根据本发明的实施方式，所述原料中各组分的质量份如下：

17、(1)离子液体；100质量份；

18、(2)交联剂；0.5～5质量份；和

19、(3)引发剂；0.1～5质量份。

20、根据本发明的实施方式，所述原料中催化剂的质量份如下：

21、(4)催化剂；0.01～1质量份。

22、根据本发明的实施方式，所述原料包括交联剂0.5质量份、1质量份、1.5质量份、2质量份、2.5质量份、3质量份、3.5质量份、4质量份、4.5质量份或5质量份。

23、根据本发明的实施方式，所述原料包括引发剂0.1质量份、0.5质量份、1质量份、1.5质量份、2质量份、2.5质量份、3质量份、3.5质量份、4质量份、4.5质量份或5质量份。

24、根据本发明的实施方式，所述原料包括催化剂0.01质量份、0.05质量份、0.1质量份、0.5质量份或1质量份。

25、根据本发明的实施方式，所述离子液体选自咪唑类离子液体、季铵盐类离子液体、季鏻类离子液体、吡啶类离子液体、吡咯类离子液体、哌啶类离子液体中的至少一种。

26、根据本发明的实施方式，所述咪唑类离子液体选自1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲基磺酰亚胺盐、1-丙基-3-甲基咪唑双三氟甲基磺酰亚胺盐、1-丁基-3-甲基咪唑双三氟甲基磺酰亚胺盐、1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-乙基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐、1-乙基-3-甲基咪唑氯盐、1-丁基-3-甲基咪唑氯盐、1-乙基-3-甲基咪唑溴盐、1-丁基-3-甲基咪唑溴盐、1-乙基-3-甲基咪唑高氯酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑高氯酸盐、1-乙基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸盐、1-乙基-3-甲基咪唑三氟乙酸盐或1-丁基-3-甲基咪唑三氟乙酸盐中的任意一种或至少两种的组合。

27、根据本发明的实施方式，所述季胺盐类离子液体选自三丁基甲基铵双三氟甲磺酰亚胺盐。

28、根据本发明的实施方式，所述季鏻类离子液体选自四丁基膦双三氟甲磺酰亚胺盐和/或三丁基乙基膦双三氟甲磺酰亚胺盐。

29、根据本发明的实施方式，所述吡啶类离子液体选自n-乙基吡啶四氟硼酸盐、n-乙基吡啶六氟磷酸盐、n-乙基吡啶双(三氟甲烷磺酰)亚胺盐、n-丁基吡啶四氟硼酸盐、n-丁基吡啶六氟磷酸盐、n-丁基吡啶双(三氟甲烷磺酰)亚胺盐、n-己基吡啶四氟硼酸盐和n-己基吡啶六氟磷酸盐中的一种或多种。

30、根据本发明的实施方式，所述吡咯类离子液体选自n-丁基-n-甲基吡咯烷双(三氟甲烷磺酰)亚胺盐。

31、根据本发明的实施方式，所述哌啶类离子液体选自n-丁基-n-甲基哌啶双(三氟甲烷磺酰)亚胺盐。

32、根据本发明的实施方式，所述交联剂选自n,n’-亚甲基双丙烯酰胺、n-羟甲基丙烯酰胺中的至少一种。

33、根据本发明的实施方式，所述引发剂选自过硫酸铵、过硫酸钾等过硫酸盐中的至少一种。

34、根据本发明的实施方式，所述催化剂选自四甲基乙二胺(temed)。

35、根据本发明的实施方式，所述聚离子液体凝胶是以离子液体为聚合单体，经包括离子液体、交联剂、引发剂和任选加入或不加入地催化剂等原料反应形成的凝胶聚合物。

36、本发明还提供上述聚离子液体凝胶基多孔复合材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：将形成聚离子液体凝胶的原料和多孔材料混合，固化，制备得到所述聚离子液体凝胶基多孔复合材料。

37、根据本发明的实施方式，所述方法包括以下步骤：将离子液体、多孔材料、交联剂和引发剂混合，固化，制备得到所述聚离子液体凝胶基多孔复合材料。

38、根据本发明的实施方式，混合中还进一步包括催化剂。

39、根据本发明的实施方式，所述离子液体、多孔材料、交联剂、引发剂的定义分别如上所述。

40、根据本发明的实施方式，所述催化剂的定义如上所述。

41、根据本发明的实施方式，所述混合的温度为室温，所述混合时间为1～6小时。

42、根据本发明的实施方式，所述固化为在室温下固化12～48小时。

43、根据本发明的实施方式，所述固化反应例如是在聚四氟乙烯模具中进行的。示例性地，将待固化的混合体系倒入40mm×20mm×2mm的聚四氟乙烯模具中，在室温下放置12～48h，得到聚离子液体凝胶基多孔复合材料。

44、本发明还提供上述聚离子液体凝胶基多孔复合材料的用途，其用于电热除冰领域。

45、本发明还提供一种电热除冰层，所述电热除冰层包括上述的聚离子液体凝胶基多孔复合材料。

46、根据本发明的实施方式，所述电热除冰层是通过固化方法制备得到的。示例性地，将包括离子液体、多孔材料、交联剂、引发剂和任选加入或不加入地催化剂的原料混合，固化，制备得到所述电热除冰层。

47、本发明还提供一种电热除冰装置，所述电热除冰装置包括上述的电热除冰层、电极和交流电源；其中，所述电极设置于所述电热除冰层的两端，所述电极与所述交流电源电连接形成闭合回路。

48、根据本发明的实施方式，所述电极的材料选自石墨、导电金属或者其合金。示例性地，所述电极为铝电极或铜电极。

49、根据本发明的实施方式，所述电极设置于所述电热除冰层的两端，组装成电极-电热除冰层-电极的结构。

50、本发明还提供上述电热除冰装置的制备方法，包括如下步骤：

51、(a)准备聚离子液体凝胶基多孔复合材料，并裁成所需形状，两端贴上电极，形成紧密粘接；

52、(b)将电极接上交流电源进行电连接，形成闭合回路。

53、本发明还提供上述电热除冰装置的用途，其用于电热除冰领域。

54、本发明的有益效果：

55、本发明提供了一种聚离子液体凝胶基多孔复合材料及其制备方法和用途，本发明是将离子液体作为聚合单体聚合后形成的聚离子液体凝胶与多孔材料进行组合，二者结合后形成的强相互作用能够降低离子液体的损耗，还能够提高防冰性能的稳定性。具体地，所述聚离子液体凝胶基多孔复合材料能在预防冰物体表面形成具有低表面能的光滑涂层，冷凝后的水滴在结冰前更容易从该表面滚落，进而抑制了水滴的聚集和冰成核，延迟了覆冰时间。本发明的复合材料中包括聚离子液体，是一种非极性分子，无法与水形成氢键，水在其表面会形成很大的接触角；而且本发明的复合材料中的多孔材料也是一种疏水材料，因此水难以在表面聚集。同时由于聚离子液体凝胶的存在，冰与预防冰物体的表面没有直接接触，冰会在预防冰物体的表面滑移，降低冰粘附力，有效延缓覆冰时间。