[发明专利]一种水凝胶涂层及其制备方法与应用

说明书

本发明属于表面加工和涂层技术领域，具体涉及一种水凝胶涂层及其制备方法与应用。本发明的水凝胶涂层是采用不同聚电解质以层层组装方式交替涂覆于基材表面，通过化学交联制成聚电解质网络结构，以实现降低结冰温度、延长结冰时间的目的。本发明所制涂层具有制备工艺简单，适用范围广，易于大面积施工，绿色环保，优异的防冰防霜效果等特点。

技术领域

本发明属于表面加工和涂层技术领域，具体涉及一种水凝胶涂层及其制备方法与应用。

背景技术

结冰现象广泛存在于自然界中，尤其是在低温高湿的环境中。在换热、交通、电力、通讯、航空以及国防等领域中发生的结冰现象，经常引起能耗提高、效率降低等问题，还会形成安全隐患，严重时导致灾难性事故。因此，防冰材料的研究与制备对经济、社会和国防安全具有重要意义。

除了加热以外，冷表面的防冰可以在结冰前或结冰后分别采取针对性措施：结冰前防止水滴在冷表面的积累或防止已积累水滴的冻结，结冰后减小冰层与基材的粘附作用使其脱落，通常包括喷洒结冰抑制剂、进行表面处理、或者涂覆防冰涂层的方式。

专利CN102134475A公开了一种防结冰添加剂，按一定比例混合聚丙烯酸盐类聚电解质和甲基丙烯酰胺与丙烯酸甲酯共聚物，聚丙烯酸盐类的化学基团能够与冰晶发生氢键作用而吸附到冰晶表面，抑制冰晶生长，甲基丙烯酰胺与丙烯酸甲酯共聚物提高了添加剂的疏水作用，能有效吸附到冰晶表面，从而抑制冰晶生长，是防止二元冰溶液重结晶的一种有效措施。但是，结冰抑制剂通常为有机液体，不能长期稳定存在，作用时间短，需要反复施工。

哈佛大学Aizenberg课题组设计制备具有微料结构、纳米结构或者微纳结构的超疏水表面，水滴碰撞到超疏水表面可以回弹而避免水在表面积累后结冰，还能够抑制基材与水滴之间的热交换而延缓表面水滴的冻结。专利CN105689236A公开的一种具有微纳复合结构的铝表面超疏水涂层的制备方法就是基于这一原理。但是超疏水表面只能在温度不太低、湿度不太大时，具有一定程度的防冰作用，而且超疏水表面的机械性能差，容易受到破坏而失去防冰作用。

专利CN101701131A公开了一种智能主动型抗结冰涂层材料及其制备方法，该涂层材料包括温敏相变材料10-60wt％，溶剂20-80wt％，其中温敏相变材料是聚硅氧烷与其他聚合物形成的嵌段共聚物，但是其结构和制备方法较为复杂。防冰涂层的作用机制通常是降低表面结冰后的冰粘附强度，结冰后再后期处理，所以在初期防冰性能上还需改进。

综上所述，目前常规采用的防冰方法普遍存在一些局限性，因此亟待开发一种易施工、低能耗、高效率、无污染的防冰途径。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种水凝胶涂层及其制备方法与应用。对具有不同电性质的聚电解质进行科学筛选与合理搭配，以喷涂、刷涂、旋涂等方式，将上述聚电解质以层层组装方式交替涂覆于基材表面，通过不同聚电解质之间的静电相互作用、氢键、碱基配对相互作用、电荷转移相互作用或共价键等，形成具有特定厚度的聚电解质多层膜；通过化学交联，使部分聚电解质形成网络结构，再将未交联的聚电解质抽提去除，得到具有显著防冰性能的水凝胶涂层。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

本发明提供一种水凝胶涂层，所述水凝胶涂层是在聚电解质多层膜的基础上运用化学交联的方法得到的。

根据本发明，所述聚电解质选自阴离子聚电解质、阳离子聚电解质或两性聚电解质中的一种或多种(如两种或两种以上)。

根据本发明，所述聚电解质选自弱聚电解质。

根据本发明，所述阴离子聚电解质选自：聚(4-苯乙烯磺酸钠)(PSS)、聚丙烯酸、聚丙烯酸盐、聚甲基丙烯酸(PMAA)、聚甲基丙烯酸盐、聚苯乙烯磺酸、聚苯乙烯磺酸盐、聚乙烯磺酸、聚乙烯磺酸盐、聚乙烯磷酸、聚乙烯磷酸盐、聚磷酸盐、聚硅酸盐、带负电荷的核酸或蛋白质等中的一种或多种(如两种或两种以上)。