[发明专利]一种图案化聚硅氧烷防覆冰涂层及其制备方法

说明书

本发明公开了一种图案化聚硅氧烷防覆冰涂层及其制备方法。该方法是将制备得到的支化形聚二甲基硅氧烷与氟化多面体低聚倍半硅氧烷、双端氢聚二甲基硅氧烷均匀混合，改变涂层表干时的温度与湿度，15～45℃，45～85％的高湿环境下，通过呼吸图案法得到图案化表面，热交联固化成膜，得到具有图案化表面的防覆冰涂层。其中：支化形聚二甲基硅氧烷3～10％；氟化多面体低聚倍半硅氧烷0～5％；双端氢基二甲基硅氧烷10～20％；催化剂0.01～0.12％；余量为溶剂。图案化氟化POSS交联支化形聚硅氧烷防覆冰涂层进行冰剪切强度和耐磨性测试，得到低至15kPa的冰剪切强度和高达2500次的磨损循环次数。本发明制备方法简便，条件可控，在防覆冰领域具有很大的应用前景。

技术领域

本发明属于防覆冰涂层材料技术领域，具体涉及一种图案化聚硅氧烷防覆冰涂层及其制备方法。

背景技术

结冰是寒冷地区常见的自然现象，但是冰层在各种基础设施表面的积累会对人们的生产生活造成诸多潜在危害，目前实际应用的主动除冰方法存在除冰效率低、耗能大、污染环境等缺点。能够实现被动除冰效果的防覆冰涂层不仅省时省力且对环境危害小，是目前的研究热点。低表面能弹性体材料是目前通用的防覆冰策略之一，有机硅材料则是广泛应用于防覆冰领域的低表面能弹性体材料。氟化多面体低聚倍半硅氧烷(POSS)的低表面能有利于其向涂层表面迁移，氟化POSS的加入既能提高涂层的疏水性，也会对防覆冰涂层起到一定的增强作用。图案化涂层表面的微结构可以促进涂层与冰界面间产生微裂纹，导致应力集中，促使冰从涂层表面移除，提高涂层的防覆冰性能。

在聚二甲基硅氧烷(PDMS)体系中引入致孔剂，经去除后得到PDMS基夹层状涂层，顶部的PDMS层阻碍冰与涂层之间产生机械铆合作用，同时夹层状多孔结构减小了涂层自身的弹性模量，实现了0.9kPa的超低冰粘合强度(He Z,Zhuo Y,He J,Zhang Z.Design andpreparation of sandwich-like polydimethylsiloxane(PDMS)sponges with super-lowice adhesion.Soft Matter,2018,14(23):4846-4851)。本课题组前期制备了含POSS的支化形PDMS滑移性防覆冰涂层，借助于支化形PDMS，使润滑性硅油在涂层表面起到界面滑移作用，降低冰剪切强度，同时POSS的加入提高涂层耐磨性，使防覆冰涂层具有良好的耐久性(Gao S,Liu B,Peng J,Zhu K,Zhao Y,Li X,Yuan X.Icephobic durability of branchedPDMS slippage coatings co-crosslinked by functionalized POSS.ACSAppl.Mater.Interfaces,2019,11(4):4654–4666)。

呼吸图案法是一种操作简单、条件温和可控的制备图案化表面的优良方法。将聚合物溶液涂覆在基材表面，与水不互溶的低沸点溶剂快速挥发使涂层表面温度急剧下降，导致高湿环境中的水蒸气冷凝，在涂层表面成核形成小液滴后，小液滴规整排列，形成有序的阵列。当涂层中的溶剂和小液滴完全挥发后，形成图案化表面。Han等人利用聚苯乙烯接枝聚乙二醇共聚物与氯化铁的甲苯混合溶液，通过呼吸图案法制备的具有分层微/纳米级拓扑结构的涂层，在较小的倾斜角下，可实现液体的快速滑落，表现出优异的抗粘附性(HanK,Heng L,Jiang L.Multiphase media antiadhesive coatings:Hierarchical self-assembled porous materials generated using breath figure patterns.ACS Nano,2016,10(12):11087-11095)。

本发明结合支化形PDMS的软弹性和氟化POSS的疏水增强功能，利用呼吸图案法通过调控表干过程中的温度与湿度，制备出的图案化防覆冰涂层具有优良的防覆冰性能和绝佳的力学稳定性，得到的防覆冰涂层的冰剪切强度可低至15kPa，耐磨损次数可高达2500次，而此项工作之前未见报道。

发明内容