[发明专利]一种氟化POSS复合有机硅涂层及制备方法与防覆冰应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种氟化多面体低聚倍半硅氧烷(氟化POSS)与有机硅复合制备防覆冰涂层的方法。

背景技术

结冰、凝霜现象会给人类的日常生活造成极大不便和危害，如供电线路故障和飞机结冰造成的灾难等。解决这一问题有防冰(涂覆防覆冰涂层等)和除冰(通过外力、喷洒除冰剂、加热等方法直接除冰)两类方式。其中，防覆冰涂层是一类重要且有效的防冰方法。目前防覆冰涂层主要采取低表面能材料、超疏水表面以及润滑层防冰等手段。

有机硅材料是一类常用的低表面能防冰材料。美国专利US 20070254170曾提出是一种耐腐蚀的防覆冰涂层材料(Hoover KL,Watson CR,Putnam JW,Dolan RC,Bonarrigo BB,Kurz PL,Weisse MA.Erosion resistant anti-icing coatings.US 20070254170,2007)。美国专利US 7514017公开了一种以有机硅等疏水材料为基体树脂，并含有有机硅相变材料的防覆冰涂层(Bhamidipati MV.Methods and compositions for inhibiting surface icing.US 7514017,2009)。美国专利US 6702953中提出了一种防覆冰涂层的溶胶-凝胶制备过程，该涂层基体是有机硅交联形成的“互穿网络结构”，体系中含有多元醇等抑冰剂(Simendinger WH,Miller,SD.Anti-icing composition.US 6702953,2004)。Dow Corning公司的有机硅树脂可作为基体树脂用作防覆冰涂层材料，它是由含氢聚硅氧烷(A组分)和聚甲基乙烯基硅氧烷(B组分)为主要组分，基于硅氢加成反应进行交联固化的有机硅产品(Alizadeh A,Bahadur V,Shang W,Zhu Y,Buckley D,Dhinojwala A,Sohal M.Influence of substrate elasticity on droplet impact dynamics.Langmuir,2013,29:4520-4524)。

除了低表面能材料防冰，润滑防冰机理由于其能够有效减小冰剪切强度而引起研究人员的广泛关注，例如Aizenberg等人提出的润滑液体填充多孔表面(SLIPS)的概念。SLIPS的原理是利用毛细作用，将一种与水不互溶的低表面能含氟有机液体封锁在表面拓扑结构中，得到分子水平的光滑表面，以减小表面的接触角滞后和冰剪切强度(Mishchenko L,Hatton B,Bahadur V,Ashley Taylor J,Krupenkin T,Aizenberg J.Design of ice-free nanostructured surfaces based on repulsion of impacting water droplets.ACS Nano,2010,4:7699-7707)。美国专利US 20140147627中公布了一种制备SLIPS表面的方法，利用全氟有机物或有机硅化合物作为润滑液润湿并附着在粗糙基材表面，形成一层稳定的润滑层，基材有一定拓扑结构或由多孔材料构成，基材材料的选择非常广泛，包括聚四氟乙烯、环氧树脂、聚酯等高分子材料，铝等金属材料以及无机陶瓷材料(Aizenberg J,Aizenberg M,Kang SH,Kim P,Tang KY,Wong TS.Slippery surfaces with high pressure stability,optical transparency,and self-healing characteristics.US 20140147627,2014)。

含氟聚合物是一类低表面能材料，常用于疏水、疏油改性，在防冰方面也有应用。例如，中国专利CN 102205680B公布了一种防覆冰复合涂层，共包含三层，内层为有机硅改性环氧树脂层，中间层为聚电解质盐层，外层为氟硅改性的丙烯酸酯层(黄驰，李岩，胡铭杰，赵宇明，刘兴海，黎小林，黄荣华，罗运柏.一种防覆冰涂层及其制备方法.CN102205680B,2014)。

多面体低聚倍半硅氧烷(POSS)是一类有机-无机杂化分子，其中央是无机内核，八个顶点为有机基团，通过分子设计可以合成含有不同官能团的POSS分子。八个顶点为有机含氟基团的POSS分子为低表面能的、功能性的、纳米尺度的有机-无机杂化分子。