一种透明高强度疏冰涂层及其制备方法和应用

1.本发明涉及功能性涂层材料技术领域，尤其涉及一种透明高强度疏冰涂层及其制备方法和应用。

背景技术：

2.防冰涂层技术已经广泛应用于多种领域，比如风机发电、电力输送、飞机表面防冰等。当前主流的防冰涂层技术是基于超疏水表面、液体注入表面等疏水表面，利用界面的疏水性能，使冰与表面之间形成气膜/液膜隔离，降低表面冰的黏附力。但该类表面的疏冰性极大的依赖于表面结构与液膜，在工作环境中，容易与冰形成互锁结构，极大的增加了冰与表面的黏附力，导致表面结冰。除疏水涂层外，软弹性材料可通过与冰块的弹性模量不匹配，降低表面与冰的黏附力。软弹性材料虽具备较好的柔性，可适用于各类基底，但该类表面与基底粘合性较差，且缺乏强度，难以满足实际防冰需求。

技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种透明高强度疏冰涂层及其制备方法和应用。本发明的疏冰涂层强度高且与基底粘合性好，可用于具有低冰黏附需求的各类装备表面，并满足飞行器等器件表面对于涂层的强度要求。
4.为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
5.本发明提供了一种透明高强度疏冰涂层，由包括涂料固体和有机溶剂的原料制得：
6.所述涂料固体包括以下质量百分含量的组分：粘合剂10％～75％、功能纳米颗粒1％～5％、含氟弹性体(含氟物质)10％～75％和余量的有机填充物质。
7.优选地，所述含氟弹性体包括氟硅树脂、氟树脂和氟碳树脂中的一种或多种。
8.优选地，所述粘合剂包括聚氨酯、环氧树脂和丙烯酸树脂中的一种或多种。
9.优选地，所述功能纳米颗粒包括空心玻璃微珠、疏水二氧化硅、二氧化钛、二氧化钼、立方氮化硼、纳米硅粉和碳化硅中的一种或多种。
10.优选地，所述功能纳米颗粒的粒径为10nm～10μm。
11.优选地，所述有机填充物质包括硅橡胶、高密度聚乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯、热塑性聚氨酯、聚二甲基硅氧烷和硅树脂中的一种或多种。
12.本发明还提供了一种上述技术方案所述的透明高强度疏冰涂层的制备方法，包括以下步骤：
13.将粘合剂、功能纳米颗粒、含氟弹性体、有机填充物质和有机溶剂混合，得到分散液；
14.在基底的表面涂覆所述分散液后进行固化，得到所述透明高强度疏冰涂层。
15.优选地，所述固化的温度为40～80℃，时间为30～60min。
16.优选地，所述固化的温度为45～75℃。
17.本发明还提供了上述技术方案所述的透明高强度疏冰涂层或上述技术方案所述的制备方法制得的透明高强度疏冰涂层在防冰领域中的应用。
18.本发明提供了一种透明高强度疏冰涂层，由包括涂料固体和有机溶剂的原料制得：所述涂料固体包括以下质量百分含量的组分：粘合剂10％～75％、功能纳米颗粒1％～5％、含氟弹性体10％～75％和余量的有机填充物质。本发明中，粘合剂用于增加涂层体系中各成分的粘合力，并增强涂层与基底的粘合力；功能纳米颗粒用于增强涂层的机械强度及耐磨性；含氟弹性体用于增强涂层的疏水性能，并降低表面的冰黏附力；有机填充物质用于改善涂层的软弹性，并提升涂层强度。在本发明中，所述粘合剂在固化的过程中，会与功能纳米颗粒、含氟弹性体及有机填充物质发生物理交联，表面展现了优秀的机械强度，含氟弹性体的含氟基团能够降低界面的表面能，使涂层的表面展现针对液滴的滑移性能，具有防水、除污功能，并具备优异的疏冰性能，在-20℃条件下，结冰，实施例的数据表明，对0.5
×
0.5cm的冰块，冰黏附强度不超过30kpa，可轻易让表面的冰脱附。且涂层的表面具有优异的透明性，并可通过调节有机填充物质、粘合剂、涂层填料的种类和质量比，调节涂层的强度、软弹性及透明性，实现飞行器及各类装备的各类软弹性防冰技术应用，对新型软弹性疏冰涂层技术的实现提供了一种可能性。
19.实施例的数据表明，当含氟弹性体在涂料固体中的质量占比达到75％，粘合剂在涂料固体中的质量占比为10％时，冰黏附强度为23.78kpa，且含氟材料越多，涂层疏冰能力越强。
20.本发明还提供了一种上述技术方案所述的透明高强度疏冰涂层的制备方法，本发明的制备方法简单，适合工业化应用。
附图说明
21.图1为实施例1中透明高强度疏冰涂层结构示意图；
22.图2为实施例1中透明高强度疏冰涂层制备示意图；
23.图3为实施例1中透明高强度疏冰涂层光学照片；
24.图4为实施例1中透明高强度疏冰涂层以及原始玻璃的透明度数据；
25.图5为实施例1中透明高强度疏冰涂层接触角照片；
26.图6为实施例1～4中透明高强度疏冰涂层以及原始玻璃的冰黏附力；
27.图7为实施例1中透明高强度疏冰涂层强度测试图。
具体实施方式
28.本发明提供了一种透明高强度疏冰涂层，由包括涂料固体和有机溶剂的原料制得：
29.所述涂料固体包括以下质量百分含量的组分：粘合剂10％～75％、功能纳米颗粒1％～5％、含氟弹性体10％～75％和余量的有机填充物质。
30.在本发明中，若无特殊说明，使用的原料均为本领域市售商品。
31.在本发明中，所述有机溶剂优选包括甲苯、二甲苯、丙酮、乙酸乙酯、乙酸丁酯和丙二醇甲醚醋酸酯中的一种或多种，用于分散所述涂料固体。
32.在本发明中，所述涂料固体的质量优选为有机溶剂质量的20％～60％，更优选为
30％～60％。
33.本发明的涂料固体中优选含有10％～65％wt％的粘合剂，更优选为25wt％。
34.在本发明中，所述粘合剂优选包括聚氨酯、环氧树脂和丙烯酸树脂中的一种或多种，用于增加涂层体系中各成分的粘合力，并增强涂层与基底的粘合力。
35.本发明的涂料固体中优选含有2％～5％wt％的功能纳米颗粒，更优选为2.5wt％。
36.在本发明中，所述功能纳米颗粒优选包括空心玻璃微珠、疏水二氧化硅、二氧化钛、二氧化钼、立方氮化硼、纳米硅粉和碳化硅中的一种或多种，用于增强涂层的机械强度及耐磨性。
37.在本发明中，所述功能纳米颗粒的粒径优选为10nm～10μm。
38.本发明的涂料固体中优选含有25～65wt％的含氟弹性体，更优选为60wt％。
39.在本发明中，所述含氟弹性体优选包括氟硅树脂、氟树脂和氟碳树脂中的一种或多种，用于增强涂层的疏水性能，并降低表面的冰黏附力。
40.本发明的涂料固体中优选含有5～20wt％的有机填充物质。
41.在本发明中，所述有机填充物质优选包括硅橡胶、高密度聚乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯、热塑性聚氨酯、聚二甲基硅氧烷和硅树脂中的一种或多种，用于改善涂层的软弹性，并提升涂层强度。
42.本发明对所述透明高强度疏冰涂层的厚度没有特殊的限定，根据需要进行设计即可。
43.本发明还提供了一种上述技术方案所述的透明高强度疏冰涂层的制备方法，包括以下步骤：
44.将粘合剂、功能纳米颗粒、含氟弹性体、有机填充物质和有机溶剂混合，得到分散液；
45.在基底的表面涂覆所述分散液后进行固化，得到所述透明高强度疏冰涂层。
46.本发明将粘合剂、功能纳米颗粒、含氟弹性体、有机填充物质和有机溶剂混合，得到分散液。
47.在本发明中，所述混合优选为依次进行机械搅拌和超声，本发明对所述机械搅拌和超声的具体参数没有特殊的限定能够使原料混合均匀即可。
48.得到分散液后，本发明在基底的表面涂覆所述分散液后进行固化，得到所述透明高强度疏冰涂层。
49.在本发明中，所述基底优选为金属材料、碳纤维板、复合材料板、玻璃、织物、纸、木材或塑料。
50.在本发明中，所述基底在使用前优选包括清洗和干燥。
51.在本发明中，所述清洗优选使用乙醇、丙酮或二甲苯。
52.本发明对所述干燥的具体方式没有特殊的限定，能够完全除去清洗使用的清洗剂即可。
53.在本发明中，所述涂覆优选为喷涂，所述喷涂优选用压缩空气驱动的喷进行。
54.在本发明中，所述涂覆前，所述基底优选进行预热，使所述有机溶剂在涂覆于所述基底表面时，迅速蒸发。
55.在本发明中，所述预热的温度优选为40～80℃，保温时间优选为30min。
56.在本发明中，所述固化的温度优选为40～80℃，更优选为45～75℃，时间优选为30～60min。
57.在本发明中，所述固化优选在恒温低热热烘的条件下进行。
58.在本发明中，所述恒温低热热烘的过程中，所述有机溶剂挥发，所述涂层固体发生交联。
59.本发明还提供了上述技术方案所述的透明高强度疏冰涂层或上述技术方案所述的制备方法制得的透明高强度疏冰涂层在防冰领域中的应用。
60.本发明对所述应用的具体方式没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的方式即可。
61.为了进一步说明本发明，下面结合实例对本发明提供的透明高强度疏冰涂层及其制备方法和应用进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
62.实施例1
63.一种透明高强度疏冰涂层，其结构见图1，直接喷涂于基底表面，并具备极好的透明性。
64.制备方法具体操作如下：
65.(1)基底(玻璃)用清洗剂(丙酮)洗净，并干燥。
66.(2)将所需粘合剂聚氨酯、功能纳米颗粒空心玻璃微珠(粒径范围为10nm～10μm)、含氟弹性体氟树脂、有机填充物质硅橡胶及有机溶剂甲苯充分混合，机械搅拌、超声分散得到分散液，涂层固体的用量如表1，且涂层固体的总质量占有机溶剂质量的20％；
67.(3)在待喷涂基底上，用压缩空气驱动的喷喷涂分散液，喷涂结束后进行恒温低热热烘(40℃)，30min直至涂层充分交联固化，得到透明高强度疏冰涂层，制备流程如图2所示。
68.所制备的透明高强度疏冰涂层光学照片如图3所示；图4为实施例1中透明高强度疏冰涂层以及原始玻璃的透明度数据，说明该涂层具有极好的透明性；图5为实施例1中透明高强度疏冰涂层接触角照片，说明该涂层展现出疏水特性；图7为实施例1中透明高强度疏冰涂层强度测试图，可知，由于粘合剂与含氟弹性体的作用，并结合喷涂以及热烘工艺，使制得的透明高强度疏冰涂层具备高机械强度，可耐多次砂石冲刷，维持表面特性。
69.实施例2～4
70.与实施例1相同，区别仅在于涂层固体用量如表1。
71.表1实施例1～4的涂层固体中各物质的质量百分含量
[0072] 聚氨酯空心玻璃微珠氟树脂硅橡胶实施例160％2.5％25％12.5％实施例240％2.5％45％12.5％实施例320％2.5％65％12.5％实施例410％2.5％75％12.5％
[0073]
图6为实施例1～4中透明高强度疏冰涂层以及原始玻璃的冰黏附力，可知，相比于未喷涂透明高强度疏冰涂层的玻璃表面，喷涂有透明高强度疏冰涂层的玻璃样品展现了优异的疏冰特性，冰黏附强度不超过30kpa；且疏冰性可根据含氟弹性体添加比例进行调节。
[0074]
对比例1
[0075]
与实施例1相同，区别仅在于涂层固体的质量百分含量组成为聚氨酯97.5％、空心玻璃微珠2.5％、氟树脂0％和硅橡胶0％，
[0076]
测试对比例1得到的涂层的冰黏附力，为143.7kpa，机械强度的数据为可承受30次流沙磨损实验，此时冰黏附力为145.6kpa。
[0077]
对比例2
[0078]
与实施例1相同，区别仅在于涂层固体的质量百分含量组成为聚氨酯0％、空心玻璃微珠2.5％、氟树脂0％和硅橡胶97.5％，
[0079]
测试对比例2得到的涂层的冰黏附力，为86kpa，机械强度的数据为在承受17次磨损实验时，表面被损坏，此时冰黏附力为132.3kpa。
[0080]
对比例3
[0081]
与实施例1相同，区别仅在于涂层固体的质量百分含量组成为聚氨酯0％、空心玻璃微珠2.5％、氟树脂97.5％和硅橡胶0％，
[0082]
测试对比例3得到的涂层的冰黏附力，为24.4kpa，机械强度的数据为在承受23次磨损实验时，表面被损坏，此时冰黏附力为73kpa。
[0083]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并非对本发明作任何形式上的限制。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：

1.一种透明高强度疏冰涂层，其特征在于，由包括涂料固体和有机溶剂的原料制得：所述涂料固体包括以下质量百分含量的组分：粘合剂10％～75％、功能纳米颗粒1％～5％、含氟弹性体10％～75％和余量的有机填充物质。2.根据权利要求1所述的透明高强度疏冰涂层，其特征在于，所述含氟弹性体包括氟硅树脂、氟树脂和氟碳树脂中的一种或多种。3.根据权利要求1所述的透明高强度疏冰涂层，其特征在于，所述粘合剂包括聚氨酯、环氧树脂和丙烯酸树脂中的一种或多种。4.根据权利要求1所述的透明高强度疏冰涂层，其特征在于，所述功能纳米颗粒包括空心玻璃微珠、疏水二氧化硅、二氧化钛、二氧化钼、立方氮化硼、纳米硅粉和碳化硅中的一种或多种。5.根据权利要求1或4所述的透明高强度疏冰涂层，其特征在于，所述功能纳米颗粒的粒径为10nm～10μm。6.根据权利要求1所述的透明高强度疏冰涂层，其特征在于，所述有机填充物质包括硅橡胶、高密度聚乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯、热塑性聚氨酯、聚二甲基硅氧烷和硅树脂中的一种或多种。7.权利要求1～6任一项所述的透明高强度疏冰涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将粘合剂、功能纳米颗粒、含氟弹性体、有机填充物质和有机溶剂混合，得到分散液；在基底的表面涂覆所述分散液后进行固化，得到所述透明高强度疏冰涂层。8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述固化的温度为40～80℃，时间为30～60min。9.根据权利要求7或8所述的制备方法，其特征在于，所述固化的温度为45～75℃。10.权利要求1～6任一项所述的透明高强度疏冰涂层或权利要求7～9任一项所述的制备方法制得的透明高强度疏冰涂层在防冰领域中的应用。

技术总结

本发明提供了一种透明高强度疏冰涂层及其制备方法和应用，属于功能性涂层材料技术领域。由包括粘合剂、功能纳米颗粒、含氟弹性体、有机溶剂和有机填充物质制得。本发明中，粘合剂用于增加涂层体系中各成分的粘合力，并增强涂层与基底的粘合力；功能纳米颗粒用于增强涂层的机械强度及耐磨性；含氟弹性体用于增强涂层的疏水性能，并降低表面的冰黏附力；有机填充物质用于改善涂层的软弹性，并提升涂层强度；粘合剂在固化的过程中，会与功能纳米颗粒、含氟弹性体及有机填充物质发生物理交联，表面具有优秀的机械强度，含氟弹性体的含氟基团能够降低界面的表面能，使涂层的表面展现针对液滴的滑移性能，具有防水、除污、疏冰性能。疏冰性能。疏冰性能。