[发明专利]一种超疏水防覆冰涂料及涂层的制备方法

说明书

技术领域

本发明具体涉及一种超疏水防覆冰涂料及涂层的制备方法，属于材料表面工程技术领域。

背景技术

2008年初，一场冰雪灾害袭击中国南方数十个省区，导致南方大部分地区输电通信设备、铁路运输设施遭受重创，群众生活受到了严重的影响，因灾害而造成的直接经济损失达1111亿元。覆冰是自然界十分普遍的现象，结构物大气覆冰，如飞机的机翼和外壳结冰、导线覆冰、军舰的甲板覆冰、桅杆和天线的覆冰、铁路轨道覆冰等，均是常见的自然现象。但这种现象严重时会使得输电通信线路中断、铁路运输受阻，给人们生产生活带来诸多不便，甚至威胁生命财产安全。因此，防覆冰技术研究意义重大。

目前的防冰技术研究主要有四种类型即溶液防冰、机械除冰、热能防冰和涂层防冰。其中涂层防冰因为能耗小、适用范围广、且属于主动型防护，因此相比其他三种方法，涂层防冰是一种很理想的防冰方法。

疏水材料是防覆冰涂层研究的主流。根据Young’s方程 [Philosophical Transactions of the Royal Society of London, 1805,95:65-87]，水的静态接触角θ>90°的固体表面不能被水浸润，为疏水表面；当θ>150°且滚动接触角θ_r<10°时，该表面为超疏水表面 [LANGMUIR, 2007, 23(4):2169-2174]。超疏水表面较大的静态接触角有利于增大水凝固的势垒，延长结冰时间，较小的滚动角有利于液滴迅速滚落不残留。而且由于超疏水表面纳微粗糙结构所具有的气垫，使得液滴在超疏水表面形成固-液-气三相共存界面，与液体接触的气垫具有良好的绝热作用，当液滴滴到低温的界面上时，结冰速度大大降低。因此，目前超疏水防覆冰涂层已成为最活跃的研究主题和热点问题。

在超疏水防覆冰涂层研究中，有机氟材料因为具有优越的低表面能，在疏水防覆冰涂料中有广泛应用 [高等学校化学学报，2013（03）：703-707]。如：CN102660182A发明了一种利用纳米粒子的特殊结构与低表面能的含氟聚丙烯酸酯共聚物相结合，获得超疏水、低粘附、均匀的纳微粗糙结构的防覆冰材料，该涂层材料获得良好的防覆冰效果；再如CN102443326A公开了一种利用微米玻璃粉末与聚四氟乙烯结合获得疏水性能，从而制备具有较好防覆冰性能的涂层。但是这些防覆冰涂层利用的均为C>=8的氟碳链结构的有机氟材料，这种长氟碳链结构的有机材料对环境危害大、不易分解、且分解产物对环境具有长期的危害。

另外目前文献报道的超疏水防覆冰涂料或涂层的制备工艺，大多复杂多步，涂膜工艺要求苛刻，不易实际大范围应用。

发明内容

为克服现有技术的问题，本发明的目的在于提供一种环境友好、且制备工艺简单、易于操作的超疏水防覆冰涂料及涂层的制备方法。

本发明提供了一种超疏水防覆冰涂料的制备方法，其制备步骤为：在氮气保护下，将硅烷偶联剂、硅溶胶、短氟碳链取代的硅烷偶联剂混合均匀，40℃~80℃下边反应边滴加水，滴加完毕继续反应3-5h，制得所述超疏水防覆冰涂料；且各混合物质按质量比计，硅烷偶联剂：硅溶胶：短氟碳链取代的硅烷偶联剂：水为1：0.20~0.50：0.01~0.05：1~3。

优选的，所述的硅烷偶联剂的结构通式为：

其中，l为1~4的整数，s为1~18的整数。

优选的，所述的硅溶胶是以水为溶剂、二氧化硅为溶质的酸性硅溶胶，其pH值为2~6、固含量为30%~50%、二氧化硅颗粒的粒径为10~100nm。

优选的，所述的短氟碳链取代的硅烷偶联剂的结构通式为：

其中，n为1~4的整数，m为2~6的整数；X为链状或环装的亚烷基、亚芳基、磺酰胺基、磺酰基、磺酰氧基、碳酰胺基和碳氧基中的一种或几种的组合。

本发明还提供了一种制备超疏水防覆冰涂层的方法，包括以下步骤：

（1）在氮气保护下，将硅烷偶联剂、硅溶胶、短氟碳链取代的硅烷偶联剂混合均匀，40℃~80℃下边反应边滴加水，滴加完毕继续反应3-5h，得疏水改性的防覆冰涂料；其中所述硅烷偶联剂、硅溶胶、短氟碳链取代的硅烷偶联剂以及水的质量比为1：0.20~0.50：0.01~0.05：1~3；

（2）将步骤（1）制得的防覆冰涂料通过浸渍涂层的方法涂覆在基材表面，再在80~120℃下热处理3~5小时，制得超疏水防覆冰涂层。

优选的，所述的硅烷偶联剂的结构通式为：