一种电加热防冰涂层及其制备方法与流程

本发明提供一种电加热防冰涂层及其制备方法。传统的加热防除冰方式为在基板内侧布置电阻丝加热以达到防除冰的目的，本发明采用新型电加热防冰涂层及其制备方法，通过在基板外侧喷涂电加热涂层，使加热更加均匀，达到防冰的效果，属于化学化工中功能涂料技术领域。

背景技术：
：

电加热涂层防除冰是一种新型的防除冰方式，是指依靠在机翼、发动机唇口等表面构建加热涂层，利用涂层电加热的方式防止飞机基板表面积冰以达到防除冰目的。传统的电加热方式是通过在基板内侧布置电阻丝，电阻丝产生的热通过机体材料传递到外表面，能量利用率低，同时造成材料内外温差比较大，在防冰表面需要维持一定温度的前提下造成内部温度过高，对材料本身提出较高的耐温要求。另外，部分位置(如机翼骨架)无法布加热电阻丝，因而无法直接加热防冰。

相比传统电加热方式，电加热涂层由于分布于机体外表面，更接近积冰层；且在隔热涂层作用下，大部分热量向外传递用于加热除冰，大大提高了加热效率且降低了材料本身的耐温要求，满足无人机等的复合材料耐温要求。传统的电阻丝加热为线式加热，在电阻丝附近温度较高，电阻丝间隔区域温度较低，导致加热不匀，加热涂层变线式加热为面式加热，热量分布更加均匀，可以对任意部位进行加热防冰，扩展了飞机加热防冰的应用范围。

新型电加热防冰涂层，无需对飞行器做大规模的改动，只需在现有保护涂层基础上增涂一种加热涂层，不会让飞行器增重太多，相比传统方式，加热更加均匀，而且可以高效的节能。本发明提供一种新型电加热防冰涂层的制备方式，是一种相对比较便捷的防除冰方式。

技术实现要素：
：

1.目的：本发明的主要目的是提供一种新型的电加热防冰涂层及其制备方法，为了解决传统电阻丝加热不均匀、内部加热传热效率低，能耗大的问题，变线式加热为面式加热，提高了涂层加热均匀性和加热效率，是一种高效节能的防除冰方式。

2.技术方案：

为了达到上述的目的，本发明采取新型的加热涂层防除冰的方式。传统的电加热方式是通过在基板内侧布置电阻丝，电阻丝产生的热通过机体材料传递到外表面，能量利用率低，同时造成材料内外温差比较大，在防冰表面需要维持一定温度的前提下造成内部温度过高，对材料本身提出较高的耐温要求。

本发明一种电加热防冰涂层，其结构组成如下：首先在基板上喷涂一层绝缘涂层，起到和基板绝缘和绝热的作用；第二，在绝缘涂层上制作新型的电极，能使加热更加均匀；第三，在电极上喷涂电加热涂料；最后在最外层喷涂保护涂层，起到保护的作用。

本发明则将加热涂层喷涂在基体外表面，更接近积冰层。且在隔热涂层作用下，大部分热量向外传递用于加热除冰，大大提高了加热效率且降低了材料本身的耐温要求，满足无人机等的复合材料耐温要求。同时，本发明采用新型的电极布置方式，使加热涂层加热更加均匀。

传统的金属丝加热防冰的方式，金属丝分布在基板的内侧，能力利用率低，而本发明的加热涂层可喷涂在基板外侧。此方式大大提高了加热效率。

其中，所述的“在基板上喷涂一层绝缘涂层”，该绝缘涂层采用市场上现有的纳米绝缘涂层，起到隔热和绝缘的作用；其中，所述的“在绝缘涂层上制作新型的电极”，该新型的电极为自己制作，有多种制作方法，可采用导电银胶或者细铜丝制作，具体制作方式如下所述；其中，所述的“在电极上喷涂电加热涂料”，该电加热涂料是采用纳米加热填料和有机的基体混合制备，加热涂料的具制作方法如下所述。

本发明一种电加热防冰涂层的制备方法，其实施作法如下：

1.电加热涂料的制作

步骤一：向PH值为13的NaOH乙醇溶液中加入质量分数约为20％的KH550或其他的偶联剂，并放在摇床上水解，得到水解液；把适量的加热涂层填料(纳米导电炭黑、碳纳米管、石墨烯等)加入到的水解液中，浸泡2-4小时改性，放置于50摄氏度真空干燥箱中，烘干2-4小时；将烘干的加热涂层填料分散到甲苯中，进行多次真空抽滤，最后将抽滤后的加热涂层填料放入真空干燥箱中，120摄氏度处理两个小时，就可得到改性加热涂料填料；所述的“偶联剂”是指硅烷偶联剂，是市场现有产品。

步骤二：加热涂料的基体可选用多种材料，如环氧树脂、硅橡胶、SBS树脂、聚氨酯等；将质量分数约为20％-30％的加热涂层基体材料放入烧杯中，用二甲苯稀释(环氧树脂可用丙酮稀释)，并加入质量分数约为2％-5％的连本三酚或水杨酸等分散剂，用玻璃棒搅拌均匀并放入超声清洗机中超声分散十分钟，得到加热涂料基体稀释液。

步骤三：根据所需加热涂料导电性能的要求，可将适量的步骤一中的改性的加热涂料填料加入到步骤二中的加热涂料基体稀释液中，比例可根据所需加热涂层导电性能作调整，并用玻璃棒搅拌均匀放入超声清洗机中超声分散十五分钟，可得到所需的电加热涂料。

2.加热电极改进的几种方式及详细说明

由于电加热涂层喷涂厚度较薄，传统的铜箔电极比较厚，不能把涂层做的十分平整；而且大面积的电加热涂层的电阻比较大，容易出现加热不均匀的问题；因而需要对加热电极做一些改进，让整体涂层的电阻变得更小，便于电加热涂层加热更加均匀；

加热电极改进的方式一：首先利用机械加工等方式制作出梳齿或其他形状(如半圆形、异形等)的模板；将模板贴在将要喷涂电加热涂层的基板上；利用磁控溅射机、化学镀、电镀或者直接涂抹银胶的方式，将贴有模板的基板表面镀上一层银或其他金属；最后将模板揭下，便可得到梳齿形或其他形状的新型电极薄层；加热电极改进的方式二：可采用预埋金属丝的方式制作电极，在基板上涂上薄薄的一层胶，将细铜丝或银丝等金属丝截成长度相等的小段，并平行粘结在基板上，隔一根选择一根细金属丝并把他们固定起来；

加热电极改进的方式三：直接用铜箔或者铝箔等加工成梳齿形或其他形状，并把他们粘贴在基板上；

3.加热涂层的制作方式

步骤1：在基板上喷涂绝缘/隔热涂层；

步骤2：选择加热电极改进方式中的任一方式在上述步骤1的基板上制作出电极；

步骤3：将上述电加热涂料制作中制作得到的电加热涂料喷涂在做出电极的基板上,涂层可厚可薄，以使涂层电阻不同，适用于不同的加热条件；

步骤4：可在加热涂料上面喷涂保护涂层，增强电加热涂层的机械性能及耐候性；

本电加热涂层可以通过改变涂层喷涂的厚薄以及选用不同的加热涂层填料配比来得到不同电阻值的涂层，进而得到涂层不同的加热功率；

通过以上作法，可以制备出电加热防冰涂料，可以制备新型的电极，最终可制作出新型电加热防冰涂层，此涂层能耗较低，并且加热比较均匀，能达到无人机防除冰的目的。

本发明一种电加热防冰涂层制备方法，其制作出来的新型电加热防冰涂层的特点：

1.传统电阻丝加热防冰的方式，电阻丝布置在基板内侧，能量利用率低，且加热不是很均匀。本发明的电加热涂层则是喷涂在基板外侧，能量利用率高，大大节省了飞机除冰所消耗的能量；同时，复合相应结构的电极，可使涂层加热更加均匀，是一种高效新型的防除冰方式。

2.改性的加热涂层填料(纳米导电炭黑、碳纳米管、石墨烯等)在连本三酚、水扬酸等分散剂的分散下能充分均匀地分散到丙酮或者二甲苯等溶剂中，加入一些粘结相以及添加剂，通过喷涂的方式即可自组装形成平整均匀的电加热防冰涂层，工艺简单，可适应多种基材表面的大规模应用。

3.所配置的纳米碳材料分散液能与多种树脂橡胶材料配合使用，如环氧树脂、硅橡胶、SBS树脂、聚氨酯等，能够得到分散比较好、加热比较均匀、柔韧性比较好、粘结性比较强的电加热涂层。

4.电加热涂层有一定的热稳定性，在加热过程中不会氧化，电阻稳定。涂料可以用有机溶剂稀释，可以通过控制加热涂层填料的质量比和喷涂涂层的厚度来改变涂层的电阻，得到不同加热效果的涂层。电加热涂层加热效率比较高。

5.所设计的新型电极布局，采用涂抹导电银胶、电镀、化学镀或者磁控溅射等方式把传统的正负极做成多种形状，如梳齿形、半圆形等，还可以通过预埋细金属丝，如铜丝、银丝做电极。这种方式缩短了电源正负极之间的距离，同时由于电极排布比较密集，有利于加强涂层的加热均匀性。

6.此电加热涂层制备方法，一次能制备出大量的加热涂料，制备方法相对简单，制作周期短，适用于大规模的生产；采用喷涂的方式，可喷涂于各种复杂形状的表面，如弧形、翼形等；喷涂后表面相对平整，涂层厚度比较薄，加热效果更加均匀，加热效率比较高；复合加热电极后，能明显降低加热涂层的电阻，可适用于各种电源条件。是一种高效的防除冰方式。

附图说明：

图1：新型电加热防冰涂层示意图。

图2：电加热涂层剖面示意图。

图3：本发明所述方法流程图。

图4：电极制作示意图。

图5：金属丝电极涂层示意图。

图6：电加热涂料喷涂示意图。

具体实施方式：

(一)本发明一种电加热防冰涂层，见图2所示，其结构组成如下：首先在基板上喷涂一层绝缘涂层，起到和基板绝缘和绝热的作用；第二，在绝缘涂层上制作新型的电极，能使加热更加均匀；第三，在电极上喷涂电加热涂料；最后在最外层喷涂保护涂层，起到保护的作用。

本发明则将加热涂层喷涂在基体外表面，更接近积冰层。且在隔热涂层作用下，大部分热量向外传递用于加热除冰，大大提高了加热效率且降低了材料本身的耐温要求，满足无人机等的复合材料耐温要求。同时，本发明采用新型的电极布置方式，使加热涂层加热更加均匀。

传统的金属丝加热防冰的方式，金属丝分布在基板的内侧，能力利用率低，而本发明的加热涂层可喷涂在基板外侧。此方式大大提高了加热效率。

(二)本发明一种电加热防冰涂层的制备方法，其实施作法如下：

传统的金属丝加热防冰的方式，金属丝分布在基板的内侧，能力利用率低，而本发明的加热涂层可喷涂在基板外侧，见图1。此方式大大提高了加热效率。本电加热涂层防冰最终的截面图见图2。制备过程见图3。

1.电加热涂料制作

步骤一：向PH值为13的NaOH乙醇溶液中加入质量分数约为20％的KH550或其他的偶联剂，并放在摇床上水解，得到水解液；把适量的加热涂层填料(纳米导电炭黑、碳纳米管、石墨烯等)加入到的水解液中，浸泡2-4小时改性，放置于50摄氏度真空干燥箱中，烘干2-4小时；将烘干的加热涂层填料分散到甲苯中，进行多次真空抽滤，最后将抽滤后的加热涂层填料放入真空干燥箱中，120摄氏度处理两个小时，就可得到改性加热涂料填料。所述的“偶联剂”是指硅烷偶联剂，是市场现有产品。

步骤二：加热涂料的基体可选用多种材料，如环氧树脂、硅橡胶、SBS树脂、聚氨酯等。将质量分数约为20％-30％的加热涂层基体材料放入烧杯中，用二甲苯稀释(环氧树脂可用丙酮稀释)，并加入质量分数约为2％-5％的连本三酚或水杨酸等分散剂，用玻璃棒搅拌均匀并放入超声清洗机中超声分散十分钟，得到加热涂料基体稀释液。

步骤三：根据所需加热涂料导电性能的要求，可将适量的步骤一中的改性的加热涂料填料加入到步骤二中的加热涂料基体稀释液中，比例可根据所需加热涂层导电性能作调整，并用玻璃棒搅拌均匀放入超声清洗机中超声分散十五分钟。可得到所需加热涂料。

2.加热电极改进的几种方式及详细说明

由于电加热涂层喷涂厚度较薄，传统的铜箔电极比较厚，不能把涂层做的十分平整。而且大面积的电加热涂层的电阻比较大，容易出现加热不均匀的问题。因而需要对电极做一些改进，让整体涂层的电阻变得更小，便于加热涂层加热更加均匀。

加热电极改进的方式一：首先利用机械加工等方式制作出梳齿或其他形状(如半圆形、异形等)的模板；将模板贴在将要喷涂电加热涂层的基板上；利用磁控溅射机、化学镀、电镀或者直接涂抹银胶的方式，将贴有模板的基板表面镀上一层银或其他金属，见图4；最后将模板揭下，便可得到梳齿形或其他形状的新型电极薄层。

加热电极改进的方式二：可采用预埋金属丝的方式制作电极，在基板上涂上薄薄的一层胶，将细铜丝或银丝等金属丝截成长度相等的小段，并平行粘结在基板上，隔一根选择一根细金属丝并把他们固定起来，电极示意图见图5。

加热电极改进的方式三：直接用铜箔或者铝箔等加工成梳齿形或其他形状，并把他们粘贴在基板上。

3.加热涂层的制作方式

步骤1：在基板上喷涂绝缘/隔热涂层。

步骤2：选择加热电极改进方式中的任一方式在上述步骤1的基板上制作出电极。

步骤3：将上述电加热涂料制作中制作得到的电加热涂层浆料喷涂在做出电极的基板上，见图6，涂层可厚可薄，以使涂层电阻不同，适用于不同的加热条件。

步骤4：可在加热涂料上面喷涂保护涂层，增强电加热涂层的机械性能及耐候性。本电加热涂层可以通过改变涂层喷涂的厚薄以及选用不同的加热涂层填料配比来得到不同电阻值的涂层，进而得到涂层不同的加热功率。