防冰雪材料和應(yīng)用的制作方法

本發(fā)明屬于冰凍、積雪防范材料技術(shù)領(lǐng)域，具體的是涉及一種防冰雪材料和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

結(jié)冰和積雪是材料表面在特定環(huán)境下發(fā)生的自然現(xiàn)象，由材料表面的潤濕性決定。設(shè)備表面發(fā)生的結(jié)冰或積雪現(xiàn)象對于其正常運(yùn)行具有巨大的潛在負(fù)面影響，導(dǎo)致諸多惡性運(yùn)行事故的發(fā)生，造成巨大的生命財(cái)產(chǎn)損失。關(guān)于結(jié)冰和積雪的防范與清除成為航空、電力、交通等行業(yè)共同關(guān)注的重要課題，使得開發(fā)具有實(shí)用價(jià)值的防冰雪材料成為研究熱點(diǎn)。結(jié)冰和積雪的發(fā)生，將會降低飛機(jī)的飛行性能；根據(jù)國際民用航空組織的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，約三分之一的航空事故與飛機(jī)上結(jié)冰或積雪有關(guān)。2008年我國南方重大冰雪災(zāi)害導(dǎo)致的結(jié)冰和積雪致使災(zāi)區(qū)電網(wǎng)嚴(yán)重受損，造成的直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)千億以上。作為中國制造代表的中國高鐵，冬季為避免電力供應(yīng)部件結(jié)冰，不得已在動車組入庫后繼續(xù)升起受電弓供電；此外，結(jié)冰和積雪嚴(yán)重影響懸掛設(shè)備通訊設(shè)施的正常運(yùn)行。

目前針對結(jié)冰和積雪的處理手段可以分為兩大類，即預(yù)處理和后處理。預(yù)處理技術(shù)包括液體防冰技術(shù)、電熱防冰技術(shù)、氣熱防冰技術(shù)、蒸發(fā)防冰技術(shù)與流濕防冰技術(shù)等機(jī)械電氣技術(shù)；近年來，借助材料科學(xué)技術(shù)手段，通過在部件表面構(gòu)建低表面能的微納米結(jié)構(gòu)，達(dá)到防結(jié)冰的目的，但是該技術(shù)獲得的表面功能層普遍存在耐候性差、不耐磨損等問題。后處理技術(shù)包括以氣動帶除冰為代表的機(jī)械技術(shù)、以電脈沖除冰為代表的加熱技術(shù)、以噴灑融雪劑為代表的化學(xué)技術(shù)。相比于預(yù)處理技術(shù)，后處理技術(shù)形成不受控的結(jié)冰和積雪，可能對機(jī)械設(shè)備的性能產(chǎn)生不可逆的破壞；化學(xué)處理技術(shù)產(chǎn)生一定的環(huán)境污染，加熱處理技術(shù)耗時(shí)長、能耗大，綜合效益低。因此，針對結(jié)冰和積雪問題，如何提升預(yù)防能力，將預(yù)防與清除相結(jié)合取得更高的綜合效益是本領(lǐng)域致力期望解決的技術(shù)問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提供一種防冰雪材料，以及解決現(xiàn)有結(jié)冰和積雪的后處理和預(yù)處理措施存在的能耗高、耐候性和耐磨損性能差導(dǎo)致防冰雪不穩(wěn)定以及經(jīng)濟(jì)性欠佳的技術(shù)問題。

為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明的一方面，提供了一種防冰雪材料。所述防冰雪材料包括基體，所述基體具有至少兩個(gè)表面，所述基體的一表面上還結(jié)合有防冰雪功能層，所述防冰雪功能層由若干微納米纖維構(gòu)成，所述纖維一端嵌入至在所述基體內(nèi)。

本發(fā)明的另一方面，提供了一種防冰雪材料的應(yīng)用方法。所述防冰雪材料的應(yīng)用方法是將本發(fā)明防冰雪材料在航空航天器、電力設(shè)備、交通運(yùn)輸設(shè)備、制冷設(shè)備的防范結(jié)冰、積雪中的應(yīng)用。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明防冰雪材料通過若干微納米纖維構(gòu)成的防冰雪功能層能夠有效抑制液滴在其表面的粘附、液化和鋪展，達(dá)到防結(jié)冰的目的；同時(shí)還能抑制雪片在其表面的融化和粘附，有利于雪片在外力作用下的清除，實(shí)現(xiàn)防積雪。而且，該防冰雪功能層具有良好的耐磨損和耐候性能，提高了本發(fā)明防冰雪材料的耐用性。

由于本發(fā)明防冰雪材料具有良好的防冰凍和積雪效果，從而有效保證了相應(yīng)設(shè)備如航空航天器、電力設(shè)備、交通運(yùn)輸設(shè)備、制冷設(shè)備的工作穩(wěn)定性和安全性。另外，防冰雪材料耐用性好，而且其直接貼合于設(shè)備表面，有效提高了相應(yīng)額設(shè)備防冰雪的經(jīng)濟(jì)成本和效率。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例防冰雪材料的一種結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例防冰雪材料所含的微納米纖維與其嵌入基體表面之間的夾角大于0度，小于或等于90度的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明實(shí)施例防冰雪材料的另一種結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是圖3所示防冰雪材料a部分所示外表面套設(shè)有管狀第一套設(shè)件的纖維簇結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是本發(fā)明實(shí)施例防冰雪材料的另一種結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6是圖5所示防冰雪材料b部分所示外表面套設(shè)有管狀第二套設(shè)件的纖維簇組的一種結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7是圖5所示防冰雪材料b部分所示外表面套設(shè)有管狀第二套設(shè)件的纖維簇組的另一種結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明要解決的技術(shù)問題、技術(shù)方案及有益效果更加清楚明白，以下結(jié)合實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

一方面，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種具有良好防冰雪作用的防冰雪材料。所述防冰雪材料的結(jié)構(gòu)如圖1至4所示，其包括基體1，嵌接在基體1一表面的防冰雪功能層2。

其中，上述防冰雪材料所含的基體1作為防冰雪功能層2的載體。因此，在一實(shí)施例中，所述基體1的材料為可以是防冰雪領(lǐng)域常用的基材，只要是能夠附載防冰雪功能層的所有基材均在本發(fā)明公開的范圍，具體的如環(huán)氧樹脂。在另一實(shí)施例中，所述基體的厚度為200-350μm，如300μm。通過對基體1的材料和厚度的控制，提高防冰雪功能層2的負(fù)載穩(wěn)定性。在具體實(shí)施例中，該所述基體1具有相對的兩個(gè)表面，所述防冰雪功能層2是鑲嵌在所述基體1的其中一表面上，另一表面用于貼合被防冰雪部位表面。

上述防冰雪材料所含的防冰雪功能層2是由若干微納米纖維21構(gòu)成。具體是微納米纖維21一端嵌入至所述基體內(nèi)，另一端是背離基體1表面。基于該防冰雪功能層2的構(gòu)成特點(diǎn)，防冰雪功能層2可以有如下幾種結(jié)構(gòu)：

第一種結(jié)構(gòu)，防冰雪功能層2是只由若干微納米纖維21構(gòu)成，如圖1所示。

第二種結(jié)構(gòu)，在圖1所示防冰雪材料的基礎(chǔ)上，也即是若干微納米纖維21鑲嵌在基體1表面上，與此同時(shí)，在至少部分的所述微納米纖維21被分為若干纖維簇22。在所述纖維簇22外表面套設(shè)有管狀第一套設(shè)件23。本第二種防冰雪材料的結(jié)構(gòu)如圖3所示，套設(shè)有第一套設(shè)件23的該纖維簇22的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

第三種結(jié)構(gòu)，在圖3所示防冰雪材料的基礎(chǔ)上，也即是若干微納米纖維21鑲嵌在基體1表面上，且在纖維簇22外表面套設(shè)有管狀第一套設(shè)件23。與此同時(shí)，以每套設(shè)有所述第一套設(shè)件23的所述纖維簇22為一纖維簇組24，在至少兩組所述纖維簇組24外還套設(shè)有管狀第二套設(shè)件25?；蛑辽僖唤M所述纖維簇組24與至少一根所述微納米纖維21外還套設(shè)有管狀第二套設(shè)件25。該第三種防冰雪材料的結(jié)構(gòu)如圖5所示，套設(shè)有第二套設(shè)件25的該纖維簇組24的結(jié)構(gòu)如圖6所示，套設(shè)有第二套設(shè)件25的至少一組所述纖維簇組24與至少一根所述微納米纖維21的組合結(jié)構(gòu)如圖7所示。

在上述三種結(jié)構(gòu)的也即是如圖1-7所示的防冰雪材料中，所含的防冰雪功能層2均包括若干微納米纖維21。因此，由微納米纖維21構(gòu)成的防冰雪功能層2通過若干微納米纖維21的結(jié)構(gòu)特性，從而能夠有效抑制液滴在其表面的粘附、液化和鋪展，達(dá)到防結(jié)冰的目的；同時(shí)還能抑制雪片在其表面的融化和粘附，有利于雪片在外力作用下的清除，實(shí)現(xiàn)防積雪作用。

另外，該若干微納米纖維21可以是按照一定規(guī)則陣列嵌入在基體1內(nèi)，也可以是無規(guī)則的嵌入在基體1內(nèi)。優(yōu)選的是陣列嵌入在基體1內(nèi)。

由于微納米纖維21是一端嵌入在基體1內(nèi)，因此，微納米纖維21與基體1表面之間具有一定角度范圍的夾角，如圖2所示。如在圖2所示的一實(shí)施例中，構(gòu)成防冰雪功能層2的微納米纖維21與其嵌入基體1表面之間的夾角α大于0度，小于或等于90度，優(yōu)選30度至60度。

在另一實(shí)施例中，微納米纖維21在基體1表面上的分布密度為50-300根/cm²，優(yōu)選的是100-300根/cm²。當(dāng)將所述微納米纖維21如上文那樣被分成纖維簇22或纖維簇組24時(shí)，所述纖維簇22或纖維簇組24的分布密度為50-300組/cm²，如60組/cm²。在另一實(shí)施例中，微納米纖維21的長度為60-500μm。在具體實(shí)施例中，微納米纖維21埋入基底1中的長度為60-200μm，如100μm；延伸至基體1表面之外的部分的長度為100-300μm，如200μm。

在又一實(shí)施例中，微納米纖維21的直徑可以是微米級或納米級，還可以是微米級和納米級的混合纖維陣列。

上述通過優(yōu)化微納米纖維21在基體1表面分布，如分布密度、與其嵌入基體1表面之間的夾角α、分布規(guī)則的優(yōu)化，以改善防冰雪功能層2的結(jié)構(gòu)，從而提高防冰雪功能層2的防結(jié)冰和積雪效果。

在一實(shí)施例中，該微納米纖維21可以是實(shí)心微納米纖維或/和空心微納米纖維；所述空心微納米纖維的背離所述基體1的一端開口或/和封口。其中，“或/和”表示“和”的并列關(guān)系，也可以表示“或”的選擇關(guān)系。如具體的微納米纖維21可以是全部的實(shí)心微納米纖維，也可以是全部的空心微納米纖維，還可以是實(shí)心微納米纖維和空心微納米纖維的混合微納米纖維。該混合微納米纖維中的實(shí)心微納米纖維和空心微納米纖維可以是隨機(jī)分布或者將實(shí)心微納米纖維和空心微納米纖維按照一定要求進(jìn)行分布。

在具體實(shí)施例中，上述實(shí)心微納米纖維21為聚四氟乙烯實(shí)心纖維、聚酰亞胺實(shí)心纖維、聚酯類纖維、聚苯砜酰胺纖維、酚醛纖維、碳纖維等中的至少一種，上述空心微納米纖維為聚偏氟乙烯中空纖維、聚酰亞胺中空纖維、聚丙烯中空纖維、中空玻璃纖維、聚砜中空纖維、聚醚砜中空纖維、碳納米管等中的至少一種。

在進(jìn)一步實(shí)施例中，上述微納米纖維21為空心微納米纖維時(shí)，在所述空心微納米纖維21的背離所述基體1的一端開口，且在所述空心微納米纖維21內(nèi)裝設(shè)有用于降低表面能的液態(tài)物質(zhì)(圖未顯示)。通過在空心微納米纖維21內(nèi)裝設(shè)降低表面能的液態(tài)物質(zhì)，從而降低空心微納米纖維21的表面能，提高其疏水性，提高防冰凍和積雪效果。在具體實(shí)施例中，該液態(tài)物質(zhì)為聚氟代丙烯酸酯、全氟硅烷、改性氟碳混合物等中的至少一種。通過選用該些液態(tài)物質(zhì)具有良好的耐低溫液態(tài)和低表面能特性，從而實(shí)現(xiàn)上述防冰雪功能層穩(wěn)定和良好的防結(jié)冰或積雪效果。

在上述各實(shí)施例中的基礎(chǔ)上，上文所述的如圖3和4所示的第二種結(jié)構(gòu)的防冰雪材料中，纖維簇22可以是按照隨機(jī)或者按照陣列的規(guī)則將若干微納米纖維21進(jìn)行分組，分成若干組纖維簇22。每一組纖維簇22中所含有的微納米纖維21至少兩根以上。并在至少一組的纖維簇22外表面套設(shè)有管狀第一套設(shè)件23。其中，優(yōu)選的是在每一組纖維簇22外表面套設(shè)有管狀第一套設(shè)件23。通過將微納米纖維21分成若干組纖維簇22，并增設(shè)第一套設(shè)件23對防冰雪功能層2進(jìn)行微結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，從而提高防冰雪功能層2的防結(jié)冰和積雪效果。具體的是設(shè)置多重嵌套結(jié)構(gòu)如第一套設(shè)件23和第二套設(shè)件25一方面形成微納米嵌套結(jié)構(gòu)，借助于具有多種尺寸的纖維，形成微納米復(fù)合結(jié)構(gòu)，結(jié)合填充的低表面能物質(zhì)的存在，獲得超疏水性能；另一方面形成從微觀到宏觀的結(jié)構(gòu)重復(fù)性，這種重復(fù)結(jié)構(gòu)的存在可以保持結(jié)構(gòu)的相對穩(wěn)定，如當(dāng)表面受到摩擦等外力作用時(shí)，表面結(jié)構(gòu)損壞可以最大程度抵消，從而可以有效保持其超疏水性能。

在具體實(shí)施例中，該管狀第一套設(shè)件23的一端可以直接結(jié)合或者扣設(shè)在基體1表面上，也可以是隨著微納米纖維21嵌入在基體1內(nèi)。其中，管狀第一套設(shè)件23應(yīng)該理解是通管狀，也即是背離基體1的一端是開口的。在一實(shí)施例中，套設(shè)在一組纖維簇22外表面的第一套設(shè)件23的直徑可以但不僅僅為100-500μm。第一套設(shè)件23的長度可以但不僅僅為240μm，其中，第一套設(shè)件23一端埋入基體1內(nèi)的長度可以但不僅僅為80μm，延伸至基體1表面外的長度可以但不僅僅為160μm，其材料為但不僅僅是聚酰亞胺中空纖維。第一套設(shè)件23的長度可以與微納米纖維的長度相近，如可以略長、略短或相等。

在另一具體實(shí)施例中，外表面套設(shè)有管狀第一套設(shè)件23的纖維簇22中的微納米纖維21可以是如上文所述的微納米纖維21。如中空或?qū)嵭牡奈⒓{米纖維21。其中，中空微納米纖維21的背離所述基體1的一端可以是開口或/和封口。或者纖維簇22中的微納米纖維21含有空心微納米纖維，在所述空心微納米纖維21的背離所述基體1的一端開口，且在所述空心微納米纖維21內(nèi)裝設(shè)有用于降低表面能的液態(tài)物質(zhì)。

上文所述的如圖5-7所示的第三種結(jié)構(gòu)的防冰雪材料中，選擇套設(shè)在第二套設(shè)件25內(nèi)的所述纖維簇組24可以是隨機(jī)的，也可以是按照陣列選擇。通過增設(shè)第二套設(shè)件25對防冰雪功能層2進(jìn)行微結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，從而提高防冰雪功能層2的防結(jié)冰和積雪效果。增設(shè)套件25的存在，可以實(shí)現(xiàn)不同尺度的復(fù)合，從而實(shí)現(xiàn)超疏水效果；另外，有利于低表面能物質(zhì)借助于嵌套結(jié)構(gòu)間存在的孔隙結(jié)構(gòu)形成的毛細(xì)管吸力作用而保存。

在具體實(shí)施例中，同樣，該管狀第二套設(shè)件25與第一套設(shè)件23一樣，其一端可以直接結(jié)合或者扣設(shè)在基體1表面上，也可以是隨著微納米纖維21嵌入在基體1內(nèi)。其中，管狀第二套設(shè)件25應(yīng)該理解是通管狀，也即是背離基體1的一端是開口的。在一實(shí)施例中，管狀第二套設(shè)件25的直徑可以但不僅僅為300μm，材料為但不僅僅是聚偏氟乙烯、聚丙烯、聚砜、聚醚砜。第二套設(shè)件25的長度可以與微納米纖維的長度相近，如可以略長、略短或相等。

在另一具體實(shí)施例中，外表面套設(shè)有管狀第一套設(shè)件23的纖維簇22中的微納米纖維21可以是如上文所述的微納米纖維21。如中空或?qū)嵭牡奈⒓{米纖維21。其中，中空微納米纖維21的背離所述基體1的一端可以是開口或/和封口?；蛘呃w維簇22中的微納米纖維21含有空心微納米纖維，在所述空心微納米纖維21的背離所述基體1的一端開口，且在所述空心微納米纖維21內(nèi)裝設(shè)有用于降低表面能的液態(tài)物質(zhì)。

在優(yōu)選的一實(shí)施例中，在上文所述的如圖5-7所示的第三種結(jié)構(gòu)的防冰雪材料中，套設(shè)有所述第二套設(shè)件25和第一套設(shè)件23的所述纖維簇22中含有中空微納米纖維21，且所述中空微納米纖維21的背離所述基體1的一端開口，且在所述空心微納米纖維21內(nèi)裝設(shè)有用于降低表面能的液態(tài)物質(zhì)。還可以在第二套設(shè)件25和第一套設(shè)件23內(nèi)的微納米纖維21之間填充有用于降低表面能的液態(tài)物質(zhì)。該降低表面能的液態(tài)物質(zhì)如上文所述的降低表面能的液態(tài)物質(zhì)。

在上述各實(shí)施例的基礎(chǔ)上，上述各實(shí)施例中的防冰雪材料還包括粘結(jié)層4。該粘結(jié)層4是為了使得防冰雪材料能夠方便并牢固的附著在需要被防冰凍和積雪的設(shè)備表面。如在圖1-7所示的防冰雪材料結(jié)構(gòu)中，基體1具有相對的兩個(gè)表面，基體1的其中一表面結(jié)合有防冰雪功能層2，基體1的另一表面上還附著有粘結(jié)層3。

在進(jìn)一步實(shí)施例中，在防冰雪功能層2外表面和/或粘結(jié)層3外表面層疊結(jié)合有保護(hù)層4(圖未顯示)。具體地，該保護(hù)層4可以是分離紙。該保護(hù)層4的存在，能夠使得上述防冰雪材料在使用之前，其所含的粘結(jié)層4和表層部分結(jié)合有由若干納米纖維構(gòu)成的防冰雪功能層2外表面得到保護(hù)，保證了粘結(jié)層4的粘性和防冰雪層2的防冰凍和積雪性能。在上述防冰雪材料在使用時(shí)，直接撕去保護(hù)層，將通過粘結(jié)層4直接將上述防冰雪材料粘合在需要被防冰凍和積雪設(shè)備的表面。

當(dāng)工作環(huán)境達(dá)滿足結(jié)冰條件時(shí)，上述各實(shí)施例中防冰雪材料的工作原理如下：

由于上文所述的防冰雪材料含有防冰雪功能層2，由于防冰雪功能層2如上文所述的結(jié)構(gòu)，防冰雪功能層2表面粘附力較小，使得液態(tài)水在防冰雪功能層2表面的鋪展不能有效進(jìn)行，從而實(shí)現(xiàn)有效抑制結(jié)冰的發(fā)生，同時(shí)使得積冰與表面的粘附力較小，進(jìn)一步地結(jié)冰會反過來促進(jìn)積冰與表面的剝離，抑制結(jié)冰的加劇。由于防冰雪功能層2表面較小的表面粘附力，一方面，可以抑制水蒸氣在部件表面的液化，阻礙結(jié)冰的發(fā)生；另一方面，無法為水蒸氣凝華形成的冰晶提供足夠的粘附力，隨著積冰的增加，積冰與表面的剝離趨勢增加，使得結(jié)冰現(xiàn)象被控制在一定范圍。當(dāng)雪片落至防冰雪功能層2表面后，不但雪片的融化受到抑制，而且雪片與防冰雪功能層2表面粘附力較小。由于防冰雪功能層2的微納米纖維結(jié)構(gòu)的存在，防冰雪功能層2與積冰、雪片間存在隔離層如空氣層、中空纖維內(nèi)腔灌注的低表面能物質(zhì)等，使得防冰雪功能層2與積冰、雪片的結(jié)合強(qiáng)度進(jìn)一步降低，有利于稍后的清除(如自然風(fēng)吹、低強(qiáng)度清掃)。

因此，上述防冰雪材料通過若干微納米纖維21構(gòu)成的防冰雪功能層2能夠有效抑制液滴在其表面的粘附、液化和鋪展，達(dá)到防結(jié)冰的目的；同時(shí)還能抑制雪片在其表面的融化和粘附，有利于雪片在外力作用下的清除，實(shí)現(xiàn)防積雪。而且，該防冰雪功能層具有良好的耐磨損和耐候性能，提高了本發(fā)明防冰雪材料的耐用性。

上文各實(shí)施例中所述的防冰雪材料可以根據(jù)使用方便性，將其設(shè)置成但不僅僅為帶狀或膜狀。

正是由于上述防冰雪材料具有優(yōu)異的防結(jié)冰和積雪效果，而且經(jīng)濟(jì)成本低，且方便使用，因此，上述防冰雪材料能夠有效被用于航空航天器、電力設(shè)備、交通運(yùn)輸設(shè)備、制冷設(shè)備的防結(jié)冰和積雪處理，從而有效保證了相應(yīng)設(shè)備如航空航天器、電力設(shè)備、交通運(yùn)輸設(shè)備、制冷設(shè)備的工作穩(wěn)定性和安全性。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。