一种具有超疏水特性的电加热防除冰组件及其制备方法与流程

本发明涉及一种防除冰组件及其制备方法，具体涉及一种具有超疏水特性的电加热防除冰组件及其制备方法，属于防除冰技术领域。

背景技术：

在航空、交通运输以及风力发电等领域，器材设备表面结冰会降低其使用性能和工作效率，严重的时候甚至会造成安全隐患。当飞机在高空中飞行时，云层中的过冷水滴接触机身后极易发生冻结并积累冰层，机翼和发动机等部位的结冰严重影响了飞机的操控性。风力发电过程中，厚重的冰层会导致风力发电机的叶片过载甚至发生变形，缩短使用寿命。近年来，鉴于结冰问题带来的巨大资源损失，如何及时去除冰层已经成为亟待解决的重要问题之一。

受“荷叶效应”启发的超疏水表面在防除冰领域具有良好的应用前景。超疏水表面优异的斥水性使液滴在结冰前弹离表面，大部分撞击液滴无法在表面停留，因而降低了结冰的可能性。接触到表面后的液滴在微观结构的作用下，与基体的实际接触面积很小，导致结冰时间被大幅度延长，即使结冰，特殊的固-冰-气接触模式也保证了冰层与表面间具有极低的粘附力。尽管超疏水表面具有优异防除冰性能，但是在超低温环境下，表面最终都会被冰层覆盖。

目前，结冰表面大多采用的是单纯电加热的方法进行除冰，这种方法需要耗费大量的能量，并且在积冰强度过高时，无法满足除冰要求。

此外，传统电热除冰器件较低的工作效率也是其实际应用的一大短板。

技术实现要素：

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种具有超疏水特性、可以降低表面冰层的粘附力，并且能够大幅度提高冰层去除效率的电加热防除冰组件及其制备方法。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种具有超疏水特性的电加热防除冰组件，其特征在于，包括：绝缘绝热层、电加热层、绝缘导热层、导热金属层、超疏水涂层和防水胶带，其中，绝缘绝热层、电加热层、绝缘导热层和导热金属层由下至上依次粘接在一起，超疏水涂层涂覆在导热金属层的表面，防水胶带密封在组件的四周。

前述的具有超疏水特性的电加热防除冰组件，其特征在于，前述绝缘绝热层采用的绝缘绝热材料为amanda-800或vespel-sp1，厚度为0.3mm～0.4mm。

前述的具有超疏水特性的电加热防除冰组件，其特征在于，前述电加热层由电加热元件和供电线缆组成，电加热元件采用的是石墨烯加热片、金属箔加热片或电阻丝加热片，厚度为0.05mm～0.2mm，面积为绝缘绝热层面积的60％～100％。

前述的具有超疏水特性的电加热防除冰组件，其特征在于，前述绝缘导热层采用的绝缘导热材料为jyxjb-24或xk-f60，厚度为0.15mm～0.35mm，形状和大小与绝缘绝热层一样。

前述的具有超疏水特性的电加热防除冰组件，其特征在于，前述导热金属层采用的导热金属为不锈钢、铝合金或钛合金，厚度为0.5mm～0.8mm，形状和大小与绝缘绝热层一样。

前述的具有超疏水特性的电加热防除冰组件，其特征在于，前述超疏水涂层采用的超疏水材料为纳米陶瓷氟树脂或gf-2200，厚度为0.15mm～0.35mm。

前述的具有超疏水特性的电加热防除冰组件，其特征在于，前述组件整体厚度在1mm～2mm之间。

制备前述的具有超疏水特性的电加热防除冰组件的方法，其特征在于，包括以下步骤：

step1：将连接有供电线缆的电加热元件覆盖在绝缘绝热材料的上表面，通过粘接的方式将电加热元件与绝缘绝热材料结合在一起；

step2：将绝缘导热材料覆盖在电加热元件的上表面，通过粘接的方式将绝缘导热材料与电加热元件结合在一起；

step3：将导热金属覆盖在绝缘导热材料的上表面，通过粘接的方式将导热金属与绝缘导热材料结合在一起；

step4：采用喷涂工艺将超疏水材料涂覆在导热金属的上表面；

step5：用防水胶带将组件的四个侧面密封，即得到完整的具有超疏水特性的电加热防除冰组件。

前述的方法，其特征在于，在step3中，前述导热金属在使用前先进行预处理，预处理的方式为：

用金相砂纸打磨导热金属直至获得光滑表面，然后依次在丙酮、无水乙醇和蒸馏水中进行超声清洗，最后烘干。

前述的方法，其特征在于，在step4中，前述喷涂工艺具体如下：

将超疏水材料装在喷枪里，喷涂压力设置为0.3mpa～0.5mpa，喷涂距离设置为10cm～30cm，喷涂时间为20s～40s。

本发明的有益之处在于：

1、防除冰组件的结构

以石墨烯、金属箔、电阻丝等为加热元件，在导热金属表面涂覆一层超疏水涂层，制备得到的防除冰组件不仅具有超疏水特性，可以显著降低表面冰层的粘附强度，从而可以在一定程度上阻止表面冰层形成和降低冰层的去除难度，而且能够快速、完全去除表面覆盖的冰层，缩短加热时间，大幅度提高冰层去除效率，减少能源的浪费，在飞机等设备表面除冰领域具有良好的应用前景。

2、防除冰组件的制备方法

制备方法简单，无需复杂的工艺设备，节约成本，具有很高的实用性。

附图说明

图1是本发明提供的具有超疏水特性的电加热防除冰组件的结构示意图；

图2是电加热层的结构示意图；

图3是液滴在超疏水涂层表面的静态光学图片；

图4是室温下不同电压强度下加热组件表面的温度变化情况图。

图中附图标记的含义：

1-绝缘绝热层、2-电加热层、3-绝缘导热层、4-导热金属层、5-超疏水涂层、6-防水胶带；

21-电加热元件、22-供电线缆。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。

一、防除冰组件的结构

参照图1，本发明提供的具有超疏水特性的电加热防除冰组件包括：绝缘绝热层1、电加热层2、绝缘导热层3、导热金属层4、超疏水涂层5和防水胶带6，其中，绝缘绝热层1、电加热层2、绝缘导热层3和导热金属层4由下至上依次粘接在一起，超疏水涂层5涂覆在导热金属层4的表面，防水胶带6密封在组件的四周。

绝缘绝热层1采用的绝缘绝热材料为amanda-800或vespel-sp1(即pi板，主要成分是聚酰亚胺)，厚度为0.3mm～0.4mm。

参照图2，电加热层2由电加热元件21和供电线缆22组成，电加热元件21采用的是石墨烯加热片、金属箔加热片或电阻丝加热片，厚度为0.05mm～0.2mm，面积为绝缘绝热层1面积的60％～100％。

绝缘导热层3采用的绝缘导热材料为jyxjb-24(oupli)或xk-f60(购自深圳市金菱通达电子有限公司)，厚度为0.15mm～0.35mm，形状和大小与绝缘绝热层1一样。

导热金属层4采用的导热金属为不锈钢、铝合金或钛合金，厚度为0.5mm～0.8mm，形状和大小与绝缘绝热层1一样。

超疏水涂层5采用的超疏水材料为纳米陶瓷氟树脂或gf-2200(特氟龙)，厚度为500nm～10um。

组件整体厚度在1mm～2mm之间。

我们用石墨烯、金属箔、电阻丝等作为加热元件，并在导热金属表面涂覆一层超疏水涂层，制备得到的防除冰组件不仅具有超疏水特性，可以显著降低表面冰层的粘附强度，从而可以在一定程度上阻止表面冰层形成和降低冰层的去除难度，而且能够快速、完全去除表面覆盖的冰层，缩短加热时间，大幅度提高冰层去除效率，减少能源的浪费，在飞机等设备表面除冰领域具有良好的应用前景。

二、防除冰组件的制备方法

实施例1

step1：粘电加热层

选取一块尺寸为10cm长×10cm宽×0.3mm厚的amanda-800(阿满达)绝缘绝热板，在该绝缘绝热板的中心处覆盖一层尺寸为9cm长×9cm宽×0.05mm厚的石墨烯加热片(该石墨烯加热片连接有供电线缆)，通过粘接的方式用rtv粘合剂将石墨烯加热片(电加热元件)与绝缘绝热板结合在一起，室温下固化24h。

step2：粘绝缘导热层

将尺寸为10cm长×10cm宽×0.3mm厚的jyxjb-24(oupli)绝缘导热垫覆盖在石墨烯加热片的上表面，通过粘接的方式用rtv粘合剂将jyxjb-24(oupli)绝缘导热垫与石墨烯加热片结合在一起。

step3：粘导热金属层

将304不锈钢(导热金属)线切割成尺寸为10cm长×10cm宽×0.5mm厚的薄片，然后用3号金相砂纸进行打磨，直至获得光滑表面，随后依次在丙酮、无水乙醇和蒸馏水中进行超声清洗，超声清洗共计10min，之后用烘箱烘干，最后将导热金属覆盖在绝缘导热垫的上表面，通过粘接的方式用rtv粘合剂将导热金属与绝缘导热垫结合在一起。

step4：涂覆超疏水涂层

采用喷涂工艺将纳米陶瓷氟树脂超疏水材料涂覆在导热金属的上表面，喷涂工艺具体如下：

将超疏水材料装在喷枪里，喷涂压力设置为0.4mpa，喷涂距离设置为20cm，喷涂时间为25s，经检测，涂层的厚度为2um。

step5：用铝箔防水胶带将组件的四个侧面密封，即得到完整的防除冰组件。

经检测，该防除冰组件整体厚度为1.35mm。

我们对该防除冰组件的疏水性能进行了测试，具体的：在该防除冰组件的表面喷洒了一些水，并拍摄了液滴在超疏水涂层表面的静态光学照片，见图3。

由图3可知：该防除冰组件具有一定疏水性能。

该防除冰组件依靠超疏水涂层表面特殊的微观结构，可以显著降低表面冰层粘附强度，从而可以降低冰层的去除难度。

我们还对该防除冰组件的加热除冰性能进行了测试，具体的：该防除冰组件的超疏水涂层表面被0.3mm厚冰层覆盖后，加热石墨烯加热片，设置电压为15v，观察冰层融化情况，同时记录石墨烯加热片表面温度变化情况。

观察结果：当加热时间达到38s时，冰层完全融化。

记录结果：加热组件表面温度变化如图4所示。

由图4可知：电压强度越大，加热组件表面升温速度越快。

由此可见，该防除冰组件能够快速去除表面覆盖的冰层，加热时间缩短，冰层去除效率大幅度提高。

实施例2

step1：粘电加热层

选取一块尺寸为10cm长×10cm宽×0.35mm厚的vespel-sp1板(即pi板，主要成分为聚酰亚胺)作为绝缘绝热板，在该绝缘绝热板的中心处覆盖一层尺寸为8cm长×8cm宽×0.05mm厚的石墨烯加热片(该石墨烯加热片连接有供电线缆)，通过粘接的方式用rtv粘合剂将石墨烯加热片(电加热元件)与绝缘绝热板结合在一起，室温下固化24h。

step2：粘绝缘导热层

将尺寸为10cm长×10cm宽×0.3mm厚的xk-f60绝缘导热垫覆盖在石墨烯加热片的上表面，通过粘接的方式用rtv粘合剂将xk-f60绝缘导热垫与石墨烯加热片结合在一起。

step3：粘导热金属层

将2024铝合金材料(导热金属)线切割成尺寸为10cm长×10cm宽×0.7mm厚的薄片，然后用4号金相砂纸进行打磨，直至获得光滑表面，随后依次在丙酮、无水乙醇和蒸馏水中进行超声清洗，超声清洗共计10min，之后用烘箱烘干，最后将导热金属覆盖在绝缘导热垫的上表面，通过粘接的方式用rtv粘合剂将导热金属与绝缘导热垫结合在一起。

step4：涂覆超疏水涂层

采用喷涂工艺将gf-2200(特氟龙)超疏水材料涂覆在导热金属的上表面，喷涂工艺具体如下：

将超疏水材料装在喷枪里，喷涂压力设置为0.4mpa，喷涂距离设置为20cm，喷涂时间为25s，经检测，涂层的厚度为3um。

step5：用铝箔防水胶带将组件的四个侧面密封，即得到完整的防除冰组件。

经检测，该防除冰组件整体厚度为1.6mm。

我们对该防除冰组件的疏水性能进行了测试，拍摄到的液滴在超疏水涂层表面的静态光学照片与图3一样。可见，该防除冰组件具有一定疏水性能。

我们还对该防除冰组件的加热除冰性能进行了测试，在该防除冰组件的超疏水涂层表面被0.25mm厚的冰层覆盖后，加热石墨烯加热片，设置电压为15v，我们观察到：当加热时间达到45s时，冰层完全融化。可见，该防除冰组件能够快速去除表面覆盖的冰层，加热时间缩短，冰层去除效率大幅度提高。

实施例3

step1：粘电加热层

选取一块尺寸为10cm长×10cm宽×0.4mm厚的amanda-800(阿满达)绝缘绝热板，在该绝缘绝热板的中心处覆盖一层尺寸为9cm长×9cm宽×0.1mm厚的电阻丝加热片(该电阻丝加热片连接有供电线缆)，通过粘接的方式用rtv粘合剂将石墨烯加热片(电加热元件)与绝缘绝热板结合在一起，室温下固化24h。

step2：粘绝缘导热层

将尺寸为10cm长×10cm宽×0.3mm厚的jyxjb-24(oupli)绝缘导热垫覆盖在石墨烯加热片的上表面，通过粘接的方式用rtv粘合剂将jyxjb-24(oupli)绝缘导热垫与石墨烯加热片结合在一起。

step3：粘导热金属层

将tc4钛合金材料(导热金属)线切割成尺寸为10cm长×10cm宽×0.65mm厚的薄片，然后用5号金相砂纸进行打磨，直至获得光滑表面，随后依次在丙酮、无水乙醇和蒸馏水中进行超声清洗，超声清洗共计10min，之后用烘箱烘干，最后将导热金属覆盖在绝缘导热垫的上表面，通过粘接的方式用rtv粘合剂将导热金属与绝缘导热垫结合在一起。

step4：涂覆超疏水涂层

采用喷涂工艺将gf-2200(特氟龙)超疏水材料涂覆在导热金属的上表面，喷涂工艺具体如下：

将超疏水材料装在喷枪里，喷涂压力设置为0.4mpa，喷涂距离设置为20cm，喷涂时间为30s，经检测，涂层的厚度为4um。

step5：用铝箔防水胶带带将组件的四个侧面密封，即得到完整的防除冰组件。

经检测，该防除冰组件整体厚度为1.65mm。

我们对该防除冰组件的疏水性能进行了测试，拍摄到的液滴在超疏水涂层表面的静态光学照片与图3一样。可见，该防除冰组件具有一定疏水性能。

我们还对该防除冰组件的加热除冰性能进行了测试，在该防除冰组件的超疏水涂层表面被0.35mm厚的冰层覆盖后，加热石墨烯加热片，设置电压为15v，我们观察到：当加热时间达到42s时，冰层完全融化。可见，该防除冰组件能够快速去除表面覆盖的冰层，加热时间缩短，冰层去除效率大幅度提高。

实施例4

step1：粘电加热层

选取一块尺寸为10cm长×10cm宽×0.35mm厚的vespel-sp1板(即pi板，主要成分为聚酰亚胺)作为绝缘绝热板，在该绝缘绝热板的中心处覆盖一层尺寸为9cm长×9cm宽×0.2mm厚的铜箔加热片(该铜箔加热片连接有供电线缆)，通过粘接的方式用rtv粘合剂将金属箔加热片(电加热元件)与绝缘绝热板结合在一起，室温下固化24h。

step2：粘绝缘导热层

将尺寸为10cm长×10cm宽×0.3mm厚的xk-f60绝缘导热垫覆盖在金属箔加热片的上表面，通过粘接的方式用rtv粘合剂将xk-f60绝缘导热垫与金属箔加热片结合在一起。

step3：粘导热金属层

将304不锈钢材料(导热金属)线切割成尺寸为10cm长×10cm宽×0.8mm厚的薄片，然后用6号金相砂纸进行打磨，直至获得光滑表面，随后依次在丙酮、无水乙醇和蒸馏水中进行超声清洗，超声清洗共计10min，之后用烘箱烘干，最后将导热金属覆盖在绝缘导热垫的上表面，通过粘接的方式用rtv粘合剂将导热金属与绝缘导热垫结合在一起。

step4：涂覆超疏水涂层

采用喷涂工艺将纳米陶瓷氟树脂超疏水材料涂覆在导热金属的上表面，喷涂工艺具体如下：

将超疏水材料装在喷枪里，喷涂压力设置为0.3mpa，喷涂距离设置为30cm，喷涂时间为40s，经检测，涂层的厚度为5um。

step5：用铝箔防水胶带带将组件的四个侧面密封，即得到完整的防除冰组件。

经检测，该防除冰组件整体厚度为1.85mm。

我们对该防除冰组件的疏水性能进行了测试，拍摄到的液滴在超疏水涂层表面的静态光学照片与图3一样。可见，该防除冰组件具有一定疏水性能。

我们还对该防除冰组件的加热除冰性能进行了测试，在该防除冰组件的超疏水涂层表面被0.3mm厚的冰层覆盖后，加热石墨烯加热片，设置电压为10v，我们观察到：当加热时间达到54s时，冰层完全融化。可见，该防除冰组件能够快速去除表面覆盖的冰层，加热时间缩短，冰层去除效率大幅度提高。

综上，本发明制备得到的防除冰组件不仅具有超疏水特性，可以显著降低表面冰层的粘附强度，从而可以在一定程度上阻止表面冰层形成和降低冰层的去除难度，而且能够快速、完全去除表面覆盖的冰层，缩短加热时间，大幅度提高冰层去除效率，减少能源的浪费，在飞机等设备表面除冰领域具有良好的应用前景。

需要说明的是，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。