一种防覆冰功能的材料及其制备方法和用图
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种具有防覆冰功能的材料及其制备方法和用途，属于化学材料领域。
【背景技术】
[0002]覆冰是自然界中经常发生的现象，尤其是在低温高湿的地区，覆冰的产生给生产和生活造成巨大的经济和能源损失。输电线路的覆冰，常常引发绝缘子闪路、电塔倒塌和线路中断等重大事故，影响电力系统的安全运行。飞行器表面覆冰会降低有效载荷，影响气动外形及机动特性。路面覆冰造成路面湿滑，可能造成机动车制动失灵，酿造严重的交通事故。冰箱冷凝管结霜造成耗电量的增加和制冷效果下降，浪费能源。目前常用的除冰方法主要分为主动除冰和被动除冰法两大类。主动除冰技术主要包括热力除冰法(CN101120217A ；CN102136710A ；CN 101499635A ;CN101562320A)、机械除冰法等，热力除冰法虽然除冰效果较明显，但能量损耗大，设备投资成本高，受益范围受限；机械除冰法耗能少成本低，但除冰效率和工作强度常常成为受制约因素。被动除冰法中表面涂覆防冰涂料是最重要的手段。防覆冰涂料具有简单有效，质量轻，价格低廉，更重要的是涂料种类多样，改性空间大。
[0003]目前报道的防覆冰涂料主要类型有，光热型、电(磁)热型、疏水型、小分子掺杂型涂层。光热型和电(磁)热型涂料需要把光能和电能转换成热能，转换效率是制约应用的一个重要因子。疏水或超疏水涂料(如微纳复合结构和有机氟涂层)的防覆冰方法可以通过减少水滴在涂层表面的粘附和铺展达到防冰目的(CN102220063 A ；CN 102660182 A)。但是低温高湿和高压环境，水滴在超疏水结构上发生Cassie到Wenzel的转变，超疏水表面防覆冰的效果下降。超疏水结构用于防覆冰还值得深入研宄。防冻剂例如乙二醇、甘油及衍生物掺杂的防覆冰涂层，溶于水中降低水的冻点，从而延缓结冰过程。但是防冻剂流失严重，材料使用寿命很短，而且会污染环境。生物体内的抗冻蛋白用于防结冰，由于成本问题大面积推广和应用还有很多技术问题需要解决。
[0004]由猪笼草启发，2011年哈佛大学的Aizenberg等开发了一种将全氟聚醚油渗透到具有极低表面能的多孔材料中，该体系使用了既不与水互溶又不与绝大多数油互溶的润滑油，在基底表面建立一层对液体超低粘附的液体润滑层，冰粘附力达到15.6kPa(-10°C )，液滴容易滑落，起到防覆冰的作用。我们课题组用吸湿性分子制备的水性润滑涂层(Chen J, et al.Robust prototypical ant1-1cing coatings witha self-lubricating liquid water layer between ice and substrate.ACS App1.Mater.1nterfaces，2013，5，4026-4030.Chen J，Luo Z Q，Fan Q R，et al.Ant1-1cingCoating Inspired by Ice Skating.Small，2014，10，4693-4699.Dou R，Chen J，Zhang YF，et al.Ant1-1cing Coating with an Aqueous Lubricating Layer.ACS Appl.Mater.1nterfaces.2014, 6，6998-7003)，在过冷状态仍保持液体，一定风力条件就可以吹落粘附的冰块，这样的涂层具有良好防覆冰性能。
[0005]为了避免环境温度降低和湿度增加或者基材表面受到污染造成的防覆冰涂层失效，本发明用石蜡溶胀硅胶制备的油凝胶体系，硅胶具有网络交联结构，疏水性绝缘性能良好，能容纳扩散进去的石蜡分子，石蜡分子又能缓慢释放出来，保证材料的持续性利用。不仅具有比目前文献报道的还要低的超低冰粘附和超宽低温使用范围(低至实验设备的下限_70°C )，而且润滑层是缓慢释放的，比多孔结构灌润滑油和结构上生长的水性润滑层更具有可持续性，耐磨损性，是一种很有前景的防覆冰材料。
【发明内容】
[0006]本发明的一个目的在于提供一种防覆冰功能的材料，该材料具有防覆冰的作用，低粘附力，除冰容易，降低能耗。解决了目前防结冰材料在冷凝环境下性能较差，化霜过程中能耗大，材料易磨损和适用温度范围窄等问题。即便在霜雪极端低温天气下，该材料上覆冰也会大大降低，防止覆冰事故的发生。
[0007]本发明的另一目的在于提供本发明材料的制备方法及其用途。
[0008]本发明通过如下技术方案实现:
[0009](I) 一种具有防覆冰功能的材料，其特征在于，所述材料包括交联网络聚合物和石蜡，其中所述石蜡是碳原子数为10?60的烷烃或其混合物。
[0010](2)根据第(I)项的材料，其特征在于，所述材料为石蜡溶胀在交联网络聚合物中形成的油凝胶体系。
[0011](3)根据第⑴或⑵项的材料，其特征在于，所述交联网络聚合物通过交联剂形成固化网络结构。
[0012](4)根据第(1)-(3)任一项的材料，其特征在于，所述交联网络聚合物为硅胶、含苯基的硅胶，或橡胶。
[0013]优选地，所述交联网络聚合物选自聚二甲基娃氧烧(Polydimethylsi1xane,PDMS)、苯基PDMS和丁基橡胶。
[0014]所述PDMS是一种商用的硅胶产品，其中通过预聚体A和交联剂B制备。
[0015]所述橡胶选自天然橡胶，丁苯橡胶，丁基橡胶，丁腈橡胶等。考虑橡胶在高温易老化，抗油等特性。优选使用丁基橡胶。
[0016]更优选地，所述交联网络聚合物为可溶胀石蜡的PDMS。
[0017]本发明中，交联剂为常见的交联剂。例如乙稀基封端或甲基乙稀基封端交联剂。
[0018](5)根据第(1)-(4)任一项的材料，其特征在于，所述石蜡优选碳原子数为16?35的烷烃或其混合物。优选碳原子数为16?25，例如16?20的烷烃混合物。
[0019]石蜡中的主要组分为直链烷烃和支链烷烃和带长侧链的单环环烷烃的混合物，所述石蜡为脱除部分结晶成分后的混合物。
[0020](6) 一种如上第(1)-(5)任一项所述的防覆冰功能材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括:
[0021]a.交联网络聚合物的制备:将交联网络聚合物(如硅胶)的预聚体和交联剂以5:1?40:1(优选6:1?30:1，或者8:1?20:1)质量比混合搅拌均匀，离心去除气泡，进一步真空排气泡，在60°C?120°C固化5?10个小时。交联网络聚合物也可为改性的苯基硅胶或丁基橡胶。
[0022]b.防覆冰材料的制备:将固化好的交联网络聚合物浸没在熔融态的石蜡中，120?150°C保持5?8h，保证交联网络聚合物达到溶胀饱和。
[0023](7) 一种如上第(1)-(5)任一项所述的防覆冰功能材料的应用，其特征在于，所述材料用于机械设备，优选为低温条件运行的机械设备中。
[0024](8) 一种防覆冰涂层，其特征在于，所述涂层包含一种如上第(1)-(5)任一项所述的防覆冰功能材料。
[0025]本文中术语“防覆冰功能”是指防止在材料上覆冰的功能。由于基底为弹性的硅胶，其疏水性绝缘性能良好，对于扩散进去的石蜡分子可作为储存支架和容器，而由于渗透压石蜡分子又能缓慢释放出来，保证材料的持续性利用。
【附图说明】
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[0026]图1:本发明实施例油溶胶中石蜡的溶胀和缓释特性。
[0027]图2:石蜡的玻璃化转化温度的DSC。
[0028]图3:油凝胶的冰粘附特性。
[0029]图4:本发明的油凝胶的超低冰粘附的可持续性。
【具体实施方式】