[发明专利]一种具有防覆冰功能的材料及其制备方法和用途

说明书

技术领域

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

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，覆冰的发生给生产和生活造成巨大的损失。随着全球气候异常日益加剧，防覆冰、除冰技术的研究刻不容缓。然而，防覆冰技术仍是一个国际性的难题。输电线路的覆冰是影响电力系统安全运行的一个极为重要的问题。输电线路覆冰常常引发绝缘子闪络、电塔倒塌和线路中断等重大事故，对电网安全产生严重危害。在电网输变电系统中，目前常用的防冰方法主要分为主动除冰法和被动防冰法两大类。主动除冰技术主要包括热力防冰法、机械除冰法等。其中，热力防冰法是通过增加输电线路热效应来防止结冰。其防冰效果较明显，但能量损耗大、设备投资成本高、使用范围较小，不适宜用作远距离防护和除冰。机械除冰法是通过研制各种直接用于输电线路上的除冰机械或设施(如除冰机器人等)进行除冰的方法。其特点是耗能少、成本低，但除冰的被动性强、效率低、工作强度大且受地形限制。被动除冰法是目前主要的除冰方法，包括设置阻雪环、平衡锤、防冰涂料等，其中，在表面涂覆防冰涂料是最重要的手段。

飞行器表面的覆冰会降低飞行器的有效载荷，影响其气动外形及机动特性。积累在飞行器表面的大质量冰块会在飞行中脱落，有可能吸入发动机进气道，导致发动机损伤。空气动力学对飞行器飞行的一个重要要求就是机体表面必须非常光滑。机翼或机身表面覆冰会产生不规则气动外形，即使1mm厚度的冰层也足以影响飞行器的正常飞行。试验表明，翼面升力对翼弦的平滑绕流很敏感，哪怕很薄的一层冰也会妨害附面层，造成阻力增加并导致早期气流分离。如何提高飞行器的防覆冰能力一直是航空界所关注的重要问题。目前采用的除冰方法是将发动机产生的部分热空气导流至覆冰表面。这种方法存在不少缺点，如控制结构复杂、降低发动机效率、需要使用昂贵的耐高温材料等等。

相比之下，防覆冰涂料具有简单有效、减重、价格低廉等特点，是解决输电线路及飞行器表面防覆冰的关键技术之一。目前报道的防覆冰涂料的主要类型有：光热型涂料、电(磁)热型涂料、憎水性涂料、小分子掺杂型涂层等。光热型涂料是通过在涂料中掺杂太阳能吸收物质(如有机碳黑、铁黑、金属氧化物等)，利用涂料吸收太阳光，将光能转变成热能，从而达到熔冰、除冰的目的。但在实际应用中由于覆冰季节往往雨雪交加，连续阴雨，光热型涂料很难吸收足够的太阳能辐射来熔化绝缘子表面的覆冰，因此防冰效率较低。电(磁)热型涂料则是通过涂层中的铁磁材料或导电填料在交变电磁场作用下产生的焦耳热除冰。如果电(磁)热型涂料产生的热量过小，则无实际防冰效果；产生热量过大，会导致损耗增加，在电路输电时绝缘子表面积污增加，容易诱发污闪事故。另外，高聚物材料在受热情况下易老化，涂层材料的寿命会受到一定程度的影响。目前采用疏水或超疏水涂料(如有机氟、有机硅等涂层)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，降低了水滴在疏水材料表面的附着量。但是过冷环境下细滴冻雨会很快变成细小冰层，该冰层将超疏水表面与外界环境彻底隔离，从而大大降低了超疏水表面防覆冰的效应。因此利用提高材料表面的疏水性进行防覆冰的方法有待进一步深入的研究和论证。

利用小分子的掺杂、迁移制备防覆冰涂层的机理是向涂层中掺杂某些防冻剂物质(通常是小分子物质，如乙二醇、甘油及衍生物等)，这些防冻剂分子可以逐渐迁移到涂层表面并与涂层表面的水互溶，降低水的凝固点，从而延缓结冰过程。根据这一原理，美国Microphase Coating公司成功研发了环氧树脂基防覆冰涂料，据报道，这种涂层具有很好的防冰效果，已在某些型号的机翼、发动机表面得到应用。但其缺点也是明显的，这是因为防冻剂的迁移是单向的，防冻剂分子迁移出材料体相后大部分会随水分流失，无法重新迁移回到体相内。因而在使用一段时间之后防冻剂分子会大量损耗，影响了涂层的长期防覆冰功能。而且，防冻剂分子的迁移是随温度的增加而加速的，在无覆冰的高温季节也会大量损耗，这些因素都直接影响了该涂层材料的寿命。另外，由于防冻剂分子多为亲水性，易使涂层的绝缘性降低，不利于其在电气领域得到应用。