一种基于耦合仿生的防结冰覆盖层及制备方法与流程

本发明属于材料表面防结冰技术领域，广范应用于汽车、电力输送、风机叶片等工程实际中，具体涉及一种基于耦合仿生的防结冰覆盖层及制备方法。

背景技术：

结冰现象在自然界及低温领域中普遍存在。结冰有许多危害，如飞机机翼表面的结冰，影响飞机的安全操作性、稳定性；电力传输线缆的结冰，增加输电设备的载荷，甚至导致电塔倒塌、输电线缆的断裂，造成电网的大面积停电，经济损失严重；车辆底盘结冰，降低了车辆的安全通过性。而对部件表面冰的清理通常采用机械方法、热力学、化学等传统方法进行表面积冰的清理，但采用此类方法不仅会破坏材料的表面形态、增加系统的复杂性及不安全性，而且会导致能耗的增加以及环境的污染。

自然界中的绝大多数生物，均会遇到粘附问题。这些生物经过成千上万年的进化，使体表形成了各种特殊的抗粘附性能，如田鼠、蚯蚓、马陆、蛴螬等动物体表形成了有利于减粘、脱附的柔性体表结构，蝴蝶翅膀、蜻蜓翅膀、荷叶等动植物表面的超疏水性特性。

因此，基于自然界中某些动物的柔性体表和表面的超疏水特性，耦合仿生发明一种广泛应用的防结冰覆盖层，将实现材料表面的主动防、除冰特性，相关技术在现有的技术方案中并没有体现。

技术实现要素：

针对上述背景技术中存在的不足，本发明基于自然界中某些动物的柔性体表和超疏水特性表面，提供了一种基于耦合仿生的防结冰覆盖层及制备方法，实现材料表面的主动防、除冰过程。结合说明书附图，本发明的技术方案如下：

一种基于耦合仿生的防结冰覆盖层，所述防结冰覆盖层由绒毛覆层和覆层基底组成，所述覆层基底为柔性基底，所述绒毛覆层由通过植毛工艺密集连接在覆层基底上的绒毛组成，所述绒毛具有柔性和疏水性。

进一步地，所述覆层基底为采用硅胶膜、聚乙烯或聚丙烯制成的柔性基底。

进一步地，所述绒毛覆层中的绒毛采用低表面能纤维或动物绒毛制成。

更进一步地，所述低表面能纤维为abs树脂、聚氯乙稀、含氟化合物或含氟聚合物。

进一步地，所述绒毛覆层中的绒毛采用普通纤维制成，且在绒毛的表面附着有疏水性溶液。

更进一步地，所述疏水性溶液为氟硅烷、有机硅或氟碳型溶液。

更进一步地，在所述覆层基底的底部设有黏贴层。

一种基于耦合仿生的防结冰覆盖层的制备方法，先制备柔性的覆层基底和具有柔性及疏水性的绒毛，然后将绒毛通过植毛工艺连接于覆层基底的表面，使覆层基底的表面呈现突出密集分布的绒毛覆层，进而形成所述的防结冰覆盖层。

进一步地，在制备绒毛的过程中，采用低表面能纤维、动物绒毛或普通纤维制备绒毛。

更进一步地，当采用普通纤维制备绒毛时，将普通纤维经涂摸、喷洒或浸润处理，以使覆层表面具有并保持疏水特性。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明所述防结冰覆盖层利用外表面绒毛覆层的疏水特性及绒毛的柔性颤动特性，使水分自动从部件表面滑落，降低表面水的附着量，减小部件表面的积冰量，覆盖层表面剩余分散的附着水分将在低温环境下冻结于绒毛层表面，利用绒毛的柔性颤动特性和积冰自身的重量，可促使积冰自动剥离，进而实现主动防、除冰效果。

2、本发明所述防结冰覆盖层采用硅胶膜、聚丙烯或其他新型复合材料等柔性材料作为覆层基底，使覆盖层的应用不受防结冰部件表面形态的限制。

3、本发明所述防结冰覆盖层覆盖并固定在待防结冰部件表面，对防结冰部件起到保温作用，延缓表面水分的冻结时间，强化部件表面的防结冰特性。

4、本发明所述防结冰覆盖层通过粘贴或捆绑等方式直接固定在待防结冰部件表面，更换简单，且不受使用时间的限制。

5、本发明所述防结冰覆盖层的绒毛覆层通过植毛工艺固定在柔性的覆层基底上，可根据使用要求更改绒毛在基底表面的分布密度，制作简便，使用成本低。

6、本发明所述防结冰覆盖层的绒毛覆层的制备方法简单，经济成本低，应用范围广。

附图说明

图1为在平面部件的表面粘贴本发明所述基于耦合仿生的防结冰覆盖层的立体示意图；

图2a为发明所述基于耦合仿生的防结冰覆盖层的绒毛静止时的结构示意图；

图2b为发明所述基于耦合仿生的防结冰覆盖层的绒毛颤动时的结构示意图；

图3为在轴类部件表面粘贴本发明所述基于耦合仿生的防结冰覆盖层的立体示意图。

图4为在非平面部件的表面粘贴本发明所述基于耦合仿生的防结冰覆盖层的立体示意图。

图中：

1、水，2、绒毛，3、柔性基底，4、部件表面，

5、平面部件，6、轴类部件，7、非平面部件。

具体实施方式

为了进一步阐述本发明的技术方案，结合说明书附图，本发明的具体实施方式如下：

如图2a和2b所示，本发明提供了一种基于耦合仿生的防结冰覆盖层，该覆盖层包括绒毛覆层和覆层基底。

所述覆层基底是采用硅胶膜、聚乙烯、聚丙烯或其他新型柔性复合材料制成的柔性基底3，该柔性基底3可固定在多种不规则形态的部件表面，使本发明所述覆盖层的应用不受防结冰部件表面形态的限制，且柔性基底3的覆盖还将对部件起到保温的作用。

所述绒毛覆层由通过植毛工艺固定连接在覆层基底上表面的绒毛2构成，根据实际使用的需要，可变化绒毛覆层的密度，即绒毛2在覆层基底表面的分布密度，以降低所述覆盖层的使用成本，所述绒毛覆层中的绒毛2可采用的材料有：

一、abs树脂、聚氯乙稀、含氟化合物或含氟聚合物等低表面能纤维，或动物绒毛，进而使绒毛覆层具有疏水特性；

二、普通纤维材料当采用普通纤维材料制备绒毛2时，在绒毛2的表面附着氟硅烷、有机硅、氟碳型等疏水性溶液，进而使绒毛覆层获得疏水特性。

本发明还提供了上述基于耦合仿生的防结冰覆盖层的制备方法，具体过程如下：

第一步：制备覆层基底和绒毛：

采用硅胶膜、聚丙烯或其他新型柔性复合材料制成柔性基底3，作为覆层基底；

采用abs树脂、聚氯乙稀、含氟化合物或含氟聚合物等低表面能纤维，或动物绒毛，或普通纤维制备绒毛；

第二步：制备绒毛覆层：

通过三轴数控植毛机将绒毛通过植毛工艺连接于覆层基底的表面，使覆层基底的表面呈现突出密集分布的绒毛，进而形成绒毛覆层；

步骤三：当所述绒毛是采用普通纤维制得时，通过涂摸、喷洒或浸润等工艺对绒毛覆层表面进行处理，以使覆层表面具有疏水特性；当所述绒毛是采用abs树脂、聚氯乙稀、含氟化合物或含氟聚合物等低表面能纤维，或动物绒毛制得时，可忽略本步骤；

此外，通过上述步骤制得的防结冰覆盖层，当其绒毛是采用普通纤维制得时，需要不断地通过涂摸、喷洒或浸润等工艺对绒毛覆层表面进行处理，以使绒毛覆层的表面始终保持疏水特性，当所述绒毛是采用abs树脂、聚氯乙稀、含氟化合物或含氟聚合物等低表面能纤维，或动物绒毛制得时，则无需本处理过程。

本发明通过具有脱附减粘功能的柔性结构，并结合动植物表面的疏水特性，耦合仿生形成一种防结冰覆盖层，防结冰覆盖层利用其覆层基底的柔性特征直接附着并固定在部件的表面，对部件起到保温作用，延缓表面水的冻结时间；更关键的是，防结冰覆盖层的绒毛覆层具有疏水特性和柔性颤动特性，可以在初期利用绒毛覆层的疏水特性及其柔性颤动，降低表面水的附着量，又可利用柔性颤动减小末期水分的冻结结冰量。因此，粘贴本发明所述耦合仿生的防结冰覆层对提高防结冰部件表面的主动除冰性能起到了双重作用。

本发明所述基于耦合仿生的防结冰覆盖层的工作过程如下：

水分在绒毛覆层的绒毛表面凝聚时，由于覆盖层表面具有疏水特性，耦合利用绒毛的柔性颤动，降低表面水的附着量，减小部件表面的积冰量。同时利用冰的自身重量及绒毛的柔性颤动，使覆冰自动剥离脱落，提升部件的主动防冰性能。结合图1、图2a和图2b，部件表面4粘贴具有柔性和超疏水特性的防结冰覆盖层，所述防结冰覆盖层对防结冰部件起到了保温作用，延缓了表面附着水滴1的冻结时间。水滴1附着在密集分布的绒毛2所构成的绒毛覆层表面上时，由于绒毛覆层的表面具有超疏水特性，水滴1在其表面自动滑落，降低了表面的附着水分。同时利用绒毛2的柔性颤动，进一步促使表面水滴1滑落，附着水量降低。剩余的表面水分在低温环境下于绒毛覆层的绒毛2表面冻结成冰，耦合利用冰的自身重量及绒毛2的柔性颤动，使积冰发生自动剥离。

如前所述，本发明所述防结冰覆盖层的应用不受防结冰部件表面形态的限制，其应用十分广泛，具体应用过程如下：

实施例一：

将通过前述方法制得的防结冰覆盖层应用于平面部件的表面时，如图1所示，柔性基底3的底部通过环氧树脂等粘结剂粘贴于平面部件5的部件表面4，所述部件表面4为部件的长结冰区域。

实施例二：

将通过前述方法制得的防结冰覆盖层应用于汽车、高速动车等车辆底盘表面时，如图1和图4所示，将所述防结冰覆盖层利用粘结剂或螺纹固定等固定方式，使该防结冰覆层能稳定的附着在车辆底盘等平整或起伏的表面，所述防结冰覆盖层对还底盘零部件起到了保温作用。车辆在行驶过程中，所述防结冰覆盖层抑制外界的水滴黏附在底盘表面，避免了外界水滴在冰层表面的不断积聚，使车辆底盘关键部件正常工作，提高了车辆的安全性。

实施例三:

将通过前述方法制得的防结冰覆盖层应用于输电线缆、车辆传动轴或转向架等轴类零部件的表面时，将所述防结冰覆盖层通过粘结剂或捆绑等固定方式，如图3所示，将所述防结冰覆盖层包覆轴类零部件，减小表面的黏附水量，实现防结冰功能。