[发明专利]具有去湿和防冰特性的结构涂层，以及用于制造这些涂层的方法

说明书

优先权数据

本国际专利申请要求于2013年3月15日提交的美国专利申请号13/836,208的优先权，此专利申请以其全文通过引用结合在此。

发明领域

本发明总体上涉及用于各种商业应用的耐用的、耐磨的防冰涂层。

发明背景

防冰涂层可能在许多基础设施、运输及冷却系统中对于提高安全性具有重要的影响。在众多由结冰引起的问题中，许多问题是由于过冷水滴撞击在固体表面上引起的。这种由过冷水引起的结冰(也称为冻雨、大气结冰或碰撞冰)由于会使路面变滑、破坏树枝和电力线、以及使飞机的机翼停转而臭名昭著。

当过冷水撞击表面时，在水与暴露于表面的颗粒之间的接触处通过异相成核过程可能发生结冰。过冷水在表面上结冰是一种复杂的现象，且还可能取决于冰粘附性、水动力条件、表面上的水膜的结构、以及表面的表面能(水对表面的润湿程度)。无机基材上的异相冰成核机理还未被完全认识。

熔点下降的流体作为一次性使用方法是众所周知的，其必须正好在结冰发生之前或之后被应用。这些流体(例如，乙二醇或丙二醇)在预期用途(例如，飞机机翼、道路、以及挡风玻璃)的典型条件下自然地消散。这些流体不能提供长期的(例如，超过约1小时)除冰或防冰。同样地，喷涂的或氟碳化合物颗粒会影响润湿，但通过擦拭表面会被去除。这些材料并不耐用。

表面的化学特征是当暴露于水时表面显示出的疏水性或接触角的一个决定因素。对于平滑的不带纹理的表面，可能的最大理论接触角或疏水性程度为约120°(参见图4)。诸如聚四氟乙烯或聚二甲基硅氧烷的表面是接近此类接触角的常见材料的实例。

近来为开发防冰或疏冰表面的努力主要致力于利用来自荷叶灵感的超疏水表面。然而，由于水凝结和结霜，这些表面在高湿度条件下失效，并且甚至由于表面积较大而导致冰粘附力增加。

以水滴的大接触角和小滞后为特征的在表面上的超疏水性已归因于水与粗糙基材之间形成的气穴层。因而通过疏水表面特征与粗糙度或表面纹理的结合，许多研究人员已经制造了大接触角表面。一种常见的方法是应用光刻技术在表面上形成规则特征。这典型地涉及创造一系列的柱状物或柱体，其迫使液滴与空气-水界面的大面积部分进行相互作用。然而，表面特征，例如这些不容易规模化，这是由于用于制造它们的光刻技术。此外，这样的表面特征在正常使用过程中易受冲击或磨损。它们还是单层，导致易受磨损。

其他研究人员已制造出能够降低水的冰点的涂层。这典型地涉及使用已知可以降低冰点的小颗粒。已经采用了单层的纳米颗粒涂层，但是这些涂层并不是耐磨的。这些涂层中的许多涂层实际上可以通过简单地擦拭表面、或通过其他冲击来去除。其他涂层已经引入从表面浸出的熔化抑制剂(盐或二醇类)。一旦浸出完成，涂层就不能用作防冰表面。

纳米颗粒-聚合物复合涂层可以提供熔点降低并且能够实现防冰，但是它们通常不能抵抗水在表面上的润湿。当水未从表面排出去时，仍然可能形成难以除去的冰层。即使当最初存在一定表面粗糙度，磨损后纳米颗粒也将不再存在并且涂层将不会有效发挥防冰表面的作用。

从涂层的单层突起可以显示出良好的抗润湿行为，但是这样的涂层由于其无机结构而并不耐用。最近还显示出这些结构不能控制表面结冰，瓦拉纳西(Varanasi)等人，“在超疏水表面上的结霜和冰粘附力(Frostformationandiceadhesiononsuperhydrophobicsurfaces)”应用物理快报(App.Phys.Lett.)97，234102(2010)。

本领域需要可规模化的、耐用的、抗冲击的结构涂层，这些结构涂层具有去湿和防冰特性二者。这样的涂层优选地利用低成本、轻质且对环境友好的材料，这些材料可以快速地(几分钟或几小时，而非几天)在大面积上喷洒或流延成薄层。例如，这些结构涂层应该能够在延长的时间段内经受得住与飞机和汽车应用有关的环境。并且，涂层表面优选不具有从表面突出的高纵横比(垂直于表面)的子结构。

发明概述

本发明解决本领域中的上述需求，如现在将进行概述的以及然后在下文中详细地进一步加以描述的。

在一些变型中，本发明提供一种抑制水的润湿和结冰的结构涂层，该结构涂层包括一个或多个层，其中每层包括：

(a)一种基本上连续的基体，该基体包括一种硬化材料；

(b)分散在该基体内的多个多孔空隙，其中这些多孔空隙具有的长度尺度为从约50纳米至约10微米，并且其中这些多孔空隙提升表面粗糙度以抑制层表面处的水的润湿；以及