[发明专利]黏弹性疏冰表面

说明书

本公开的黏弹性疏冰表面包括分散在弹性体基体中的有机凝胶颗粒珠。这些表面对冰形成具有高度的排斥性，易于使用且具有成本效益，并且对于恶劣的户外应用具有长期的耐久性。

背景技术

本申请要求于2017年10月16日提交的名称为“Nano-Viscoelastic Anti-IcingSurfaces(纳米黏弹性防冰表面)”的美国临时专利申请No.62/572,708的优先权，其全部内容通过引用合并于此。

本公开涉及疏冰(ice phobic)以及柔性、耐用的并且可用于多种应用的防冰(anti-icing)表面。

防冰表面在包括基础设施和能源系统在内的广泛系统中起着至关重要的作用。在寒冷气候和冬季暴风雨期间，缺少这些表面会导致电力系统(例如，发电塔、发电站和电力线)、运输系统(例如，航空业和远洋船舶)和能源系统(例如家用和大型发电厂)发生灾难性故障。据劳伦斯·伯克利实验室(Lawrence Berkeley Laboratory)，冰暴占美国电力传输中断的10％。每年的经济损失约为30-50亿美元。除了经济损失之外，每个冬天，美国大约有300万人遭受冰暴造成的电力损失。结冰可导致电线杆和发电塔倒塌以及导线破裂。在航空业中，航空器结冰会导致阻力增加和升力损失，从而可能导致灾难性事件。冷却系统结冰会大大降低传热速率，并导致这些系统的运行效率低下。

疏冰表面的主要品质因数是较低的冷冻温度、较低的积冰率和较低的冰黏附力。此外，这些表面的长期耐久性是另一个关键因素。已经开发出多种产品(例如超疏水性表面、非润湿性表面、浸液性表面和水合表面)以减少或防止冰积累。然而，冰黏附强度(约20-100kPa)高和随后的积冰、长期机械和环境耐久性低以及生产成本高，已经限制了它们的应用。

发明概述

本公开总体上涉及疏冰的表面。特别是，疏冰表面是在应用中可喷涂的、柔性的、耐用的且通用的纳米黏弹性表面。纳米黏弹性表面具有前所未有的防冰特性，成本低，并且能够抗高剪切流。

通常，可以通过以下方式制备本发明的纳米黏弹性表面：(1)形成(develop)硅基有机凝胶颗粒珠；(2)将颗粒珠与表面活性剂混合并将混合物压碎以减少聚集；(3)由合适类型的弹性体，例如硅氧烷弹性体，单独制备具有高剪切模量的弹性体基体(matrix)，用作所形成的凝胶珠的主体(host)，(4)将步骤(2)中制备的所形成的有机凝胶颗粒珠并入到制备的弹性体基体中，以及(5)将最终混合物施加到任何表面上并使混合物在室温下固化，以获得最终的纳米黏弹性疏冰表面。

纳米黏弹性防冰表面在高剪切流以及高低温下是稳定的。这些表面表现出增强的防冰特性，并在恶劣的户外应用中具有长期耐久性。一种称为应力局部化的新物理概念对本发明疏冰表面的效力做出贡献，该疏冰表面具有出色的机械、化学和环境耐久性。应力局部化的概念将冰在这些材料上的黏附力降低了一个数量级，并且比以前研究的表面改性方法更有效。应力局部化是体积现象(volumetric phenomenon)，即使在长时间使用这些材料后也仍然有效。而且，疏冰材料不会影响机翼的空气动力特性，从而为航空航天应用提供了有希望的解决方案。

附图简要描述

图1A示出了冰从具有疏冰涂层的材料上脱离的示意图。

图1B示出了本文所述优选实施方案的应力局部化疏冰涂层的示意图。

图1C示出了本文所述优选实施方案的应力局部化疏冰涂层的弹性模量的表面图。

图1D示出了本文所述优选实施方案的应力局部化疏冰涂层中II相坐标处裂纹的形成和冰脱离的示意图。

图2示出了本文所述优选实施方案制备的纳米黏弹性防冰表面的示意图。

图3显示了浸入溶剂前后样品纳米黏弹性表面的图像，比例尺为10mm。

图4示出了1000轮磨耗试验前后样品纳米黏弹性表面的图像，比例尺为10mm。