CN111806701A - 磁敏多孔润滑的飞机防冰表面的实现方法 - Google Patents
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Abstract
一种磁敏多孔润滑的飞机防冰表面的实现方法，通过聚二甲基硅氧烷预聚物及其固化剂、甲苯、糖类、磁性纳米颗粒和二甲基硅油的混合均匀和干燥固化，得到磁敏多孔防冰复合材料的前驱体；经过该前驱体与乙醇的水溶液多次进行溶剂交换并干燥，得到磁敏多孔防冰复合材料；将上述复合材料粘附在目标表面上，待粘合剂完全固化后向复合材料表面滴加磁流体直至吸附饱和，得到磁敏多孔润滑的防冰表面。本发明利用糖模板法在将磁性纳米颗粒均匀分散在具有良好弹性、疏水性、亲油性和化学稳定的聚二甲基硅氧烷的同时，获得高度多孔的结构，从而制成冰附着强度极低、防冰寿命长、可迅速修复的具有磁响应特性的磁敏多孔防冰材料，将其涂覆于飞机表面以达到辅助飞机防冰的效果。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种表面处理领域的技术，具体是一种磁敏多孔润滑的飞机防冰表面的实现方法。
背景技术
结冰是影响飞机飞行、导致飞行事故发生的主要天气因素之一。为了减少甚至防止结冰对飞机飞行安全的影响，绝大多数飞机都必须采取相应的防护措施。现有飞机防冰方法中的防冰表面技术具有耗能小、制造成本低、易于实现且使用范围广等优点，其中最有前景的是超疏水防冰表面和注入润滑剂的多孔防冰表面。
通过微纳米级纹理和疏水表面化学相结合而获得的超疏水表面虽然在某些环境受控的条件下表现出良好的防冰能力，但由于其设计高度复杂、制造难度大和工艺成本高，所以通常只适合尺寸较小且成本较高的部件。此外，超疏水表面所具有的微纳结构容易受损，并且容易在低温、高湿度的环境下失效。因此，对于飞机大型部件的防冰需求，更适合应用由注入润滑剂的多孔表面。
注入润滑剂的防冰表面的防冰原理是通过物理和化学限制的、不混溶的润滑剂对织构化固体基材的渗透，形成光滑的液体覆盖层，从而达到防冰的目的。利用磁流体作为润滑剂的优势在于：相对于其他润滑剂，水在磁流体表面的结冰成核温度更低，结冰延迟时间更长，冰在磁流体表面的附着强度更低；磁流体在受到水滴撞击后，能在极短的时间内回复撞击前的形貌。然而，基于磁流体的防冰表面过于依赖外加磁场，即外加磁场缺失时，磁流体容易流失而使表面失去防冰能力，尤其是某些情况，例如水流的冲击，会对磁流体表面造成不可逆的破坏作用。
与其他种类的基材相比，聚合物基多孔基材不仅具有高强度、高韧性和高弹性的优点，并且制造成本低廉、加工温度低、工艺成熟且稳定性好，高性能化(物理改性)相对简单，可以通过简单的共混实现。
发明内容
本发明针对上述现有技术的缺陷，提出一种磁敏多孔润滑的飞机防冰表面的实现方法，利用糖模板法在将磁性纳米颗粒均匀分散在具有良好弹性、疏水性、亲油性和化学稳定的聚二甲基硅氧烷的同时，获得高度多孔的结构，从而制成冰附着强度极低、防冰寿命长、可迅速修复的具有磁响应特性的磁敏多孔防冰材料，将其涂覆于飞机表面以达到辅助飞机防冰的效果。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种磁敏多孔润滑的飞机防冰表面的实现方法，通过聚二甲基硅氧烷预聚物及其固化剂、甲苯、糖类、磁性纳米颗粒和二甲基硅油的混合均匀和干燥固化，得到磁敏多孔防冰复合材料的前驱体；经过该前驱体与乙醇的水溶液多次进行溶剂交换并干燥，得到磁敏多孔防冰复合材料；将上述复合材料粘附在目标表面上，待粘合剂完全固化后向复合材料表面滴加磁流体直至吸附饱和，得到磁敏多孔润滑的防冰表面。
所述的聚二甲基硅氧烷预聚物与固化剂的质量比为(8～11):1。
所述的糖类优选为葡萄糖和蔗糖的混合物，其中葡萄糖与蔗糖的质量比为1:(1～3)。
所述的聚二甲基硅氧烷预聚物及其固化剂、甲苯、糖类、磁性纳米颗粒与二甲基硅油的质量比为(10～12):(20～22):(52～54):(14～16):1。
所述的磁性纳米颗粒优选为经表面活性剂处理过的粒径800nm的四氧化三铁颗粒，该表面活性剂优选为油酸钠或平均分子量为2000的聚乙二醇。
所述的干燥固化的条件优选为在80℃下静置12小时。
所述的乙醇溶液中无水乙醇与水的体积比优选为1:(1～3)。
所述的粘附，优选采用聚二甲基硅氧烷及其固化剂作为粘附剂，其中聚二甲基硅氧烷和固化剂的质量比为(8～11):1。
所述的完全固化，优选为在80℃下静置2小时。
所述的磁流体由基液和经表面活性剂处理过的磁性纳米颗粒组成，其中基液优选为由重量百分比为80％的石蜡油和重量百分比为20％的Ⅲ级清洁环保航空煤油组成，表面活性剂优选为油酸钠或平均分子量为2000的聚乙二醇，磁性纳米颗粒优选为粒径800nm的四氧化三铁颗粒。
技术效果
本发明整体解决现有飞机表面结冰的问题；本发明以磁流体作为润滑剂，能极大地减小冰在表面的附着强度；使用多孔的聚合物基质，不仅能充分利用聚合物本身高强度、高弹性和高韧性的优点，还能降低加工温度、简化加工工艺，从而降低制造成本和制造难度；磁流体与多孔聚合物基质相结合的防冰表面易于规模化，适合批量生产和在飞机大型部件的应用。
附图说明
图1为本发明的磁敏多孔防冰复合材料的傅立叶变换红外吸收光谱图；
图2为本发明的磁敏多孔防冰复合材料的扫描电子显微镜图像；
图3为本发明的磁敏多孔防冰复合材料的磁化曲线示意图；
图4为本发明的磁敏多孔防冰复合材料和磁流体的接触角示意图；
图5为本发明的磁敏多孔防冰复合材料对磁流体的吸附-释放循环过程中的质量变化示意图；
图6为本发明的磁敏多孔防冰复合材料对磁场的响应特性示意图；
图7为本发明的磁敏多孔润滑防冰表面在无外加磁场的条件下结冰-除冰循环过程中冰附着强度的变化示意图；
图8为本发明的磁敏多孔润滑防冰表面在有外加磁场的条件下结冰-除冰循环过程中冰附着强度的变化示意图。
图9为本发明的孔分布不同的磁敏多孔防冰复合材料对磁流体的吸附能力的比较。
具体实施方式
实施例1
本实施例包括以下步骤：
①称取4g聚二甲基硅氧烷预聚物、0.4g固化剂和10mL甲苯于烧杯中，再在室温下搅拌均匀。向上述烧杯中加入21.0g糖类混合物(糖类组成，m葡萄糖:m蔗糖＝1:2)后，在室温下搅拌均匀。随后加入6g四氧化三铁纳米颗粒(粒径为800nm)，并充分混合。加入0.4g二甲基硅油，继续搅拌10min。待完全混合均匀后，将所得混合物转移至培养皿中，并在80℃下干燥固化12h。将完全固化的样品完全浸没在乙醇的水溶液(无水乙醇与去离子水的体积比为1:2)中，每隔一小时更换一次乙醇的水溶液。经过六次溶剂交换后，用滤纸吸干多余的水分，在室温下自然干燥，得到磁敏多孔防冰复合材料。
本实施例中采用的聚二甲基硅氧烷预聚物和固化剂是由道康宁公司生产的，型号是SYLGARD184。聚二甲基硅氧烷预聚物的主要成分是聚二甲基-甲基乙烯基硅氧烷预聚物和微量铂催化剂，固化剂的主要成分是带乙烯基侧链的预聚物及交联剂聚二甲基甲基氢硅氧烷。通过混合两者，乙烯基可与硅氢键发生氢化硅烷化反应，从而形成三维网络结构。通过控制预聚物和固化剂的比例，可以控制聚二甲基硅氧烷的力学性能。
②以聚二甲基硅氧烷预聚物和固化剂(质量比为10:1)为粘附剂，将上述制备得到的磁敏多孔防冰复合材料粘附在具有相同面积且厚度为2mm的铝板上，粘附有磁敏多孔防冰复合材料的一面向上并放置在80℃下干燥固化足够长的时间。待样品完全固化后，将经过油酸钠表面处理过的四氧化三铁纳米颗粒(粒径800nm)分散于基液(由重量百分比为80％的石蜡油和重量百分比为20％的Ⅲ级清洁环保航空煤油组成)中，得到磁流体。将所述磁流体添加到粘附有磁敏多孔防冰复合材料的一面，待磁敏多孔防冰复合材料吸附饱和，得到磁敏多孔润滑防冰表面。
实施例2
①称取4g聚二甲基硅氧烷预聚物、0.4g固化剂和10mL甲苯于烧杯中，再在室温下搅拌均匀。向上述烧杯中加入21.0g糖类混合物(糖类组成，m葡萄糖:m蔗糖＝1:1)后，在室温下搅拌均匀。随后加入6g四氧化三铁纳米颗粒(粒径为800nm)，并充分混合。加入0.4g二甲基硅油，继续搅拌10min。待完全混合均匀后，将所得混合物转移至培养皿中，并在80℃下干燥固化12h。将完全固化的样品完全浸没在乙醇的水溶液(无水乙醇与去离子水的体积比为1:2)中，每隔一小时更换一次乙醇的水溶液。经过六次溶剂交换后，用滤纸吸干多余的水分，在室温下自然干燥，得到磁敏多孔防冰复合材料。
②以聚二甲基硅氧烷预聚物和固化剂(质量比为10:1)为粘附剂，将上述制备得到的磁敏多孔防冰复合材料粘附在具有相同面积且厚度为2mm的铝板上，粘附有磁敏多孔防冰复合材料的一面向上并放置在80℃下干燥固化足够长的时间。待样品完全固化后，将经过油酸钠表面处理过的四氧化三铁纳米颗粒(粒径800nm)分散于基液(由重量百分比为80％的石蜡油和重量百分比为20％的Ⅲ级清洁环保航空煤油组成)中，得到磁流体。将所述磁流体添加到粘附有磁敏多孔防冰复合材料的一面，待磁敏多孔防冰复合材料吸附饱和，得到磁敏多孔润滑防冰表面。
实施例3
本实施例包括以下步骤：
①称取4g聚二甲基硅氧烷预聚物、0.4g固化剂和10mL甲苯于烧杯中，再在室温下搅拌均匀。向上述烧杯中加入21.0g糖类混合物(糖类组成，m葡萄糖:m蔗糖＝1:3)后，在室温下搅拌均匀。随后加入6g四氧化三铁纳米颗粒(粒径为800nm)，并充分混合。加入0.4g二甲基硅油，继续搅拌10min。待完全混合均匀后，将所得混合物转移至培养皿中，并在80℃下干燥固化12h。将完全固化的样品完全浸没在乙醇的水溶液(无水乙醇与去离子水的体积比为1:2)中，每隔一小时更换一次乙醇的水溶液。经过六次溶剂交换后，用滤纸吸干多余的水分，在室温下自然干燥，得到磁敏多孔防冰复合材料。
②以聚二甲基硅氧烷预聚物和固化剂(质量比为10:1)为粘附剂，将上述制备得到的磁敏多孔防冰复合材料粘附在具有相同面积且厚度为2mm的铝板上，粘附有磁敏多孔防冰复合材料的一面向上并放置在80℃下干燥固化足够长的时间。待样品完全固化后，将经过油酸钠表面处理过的四氧化三铁纳米颗粒(粒径800nm)分散于基液(由重量百分比为80％的石蜡油和重量百分比为20％的Ⅲ级清洁环保航空煤油组成)中，得到磁流体。将所述磁流体添加到粘附有磁敏多孔防冰复合材料的一面，待磁敏多孔防冰复合材料吸附饱和，得到磁敏多孔润滑防冰表面。
实施例3所述的磁敏多孔防冰复合材料的傅立叶变换红外吸收光谱如图1所示：1093cm-1和1022cm-1处的吸收峰对应Si-O的伸缩振动，865cm-1和801cm-1的吸收峰表明Si-CH3的存在，这两个基团是使磁敏多孔防冰复合材料具有亲油疏水性质的关键基团。
实施例3所述的磁敏多孔防冰复合材料的扫描电子显微镜图像如图2所示：样品本身具有多层次的孔道结构，所以可以预期的是，样品能够稳定地吸附磁流体。
分别在300K和261K下使用综合物性测量***测得实施例3所述磁敏多孔防冰复合材料的磁化曲线如图3所示，磁敏多孔防冰复合材料磁学性能与磁流体的一致；在300K下的饱和磁化强度比磁流体材料的高出3倍以上；在外加磁场的作用下，磁敏多孔防冰复合材料会产生激发磁场，从而使得被吸附的磁流体受到更高强度磁场作用的吸附；可以预期的是，相比无磁性的材料，磁敏多孔防冰复合材料对磁流体的吸附将会更加稳定。
在常温常压的条件下测得实施例3所述磁敏多孔防冰复合材料和磁流体的接触角为55.01°(如图4所示)，表明磁流体对磁敏多孔防冰复合材料具有良好的润湿性，磁敏多孔防冰复合材料保持了聚二甲基硅氧烷亲油疏水的性质。
在常温常压下，称量并记录磁敏多孔防冰复合材料在对磁流体吸附-释放循环过程中的质量变化可以评估磁敏多孔防冰复合材料的耐久性，能够得到的实验数据是：如图5所示，在循环10次的过程中，磁敏多孔防冰复合材料对磁流体的吸附能力没有减弱，表现出良好的耐久性。
在外加磁场的作用下，实施例3所述磁敏多孔润滑防冰表面会快速响应，在表面形成较厚的磁浮层；待磁场撤去后，磁浮层会由半固态转换为液态，并在极短的时间内被磁敏多孔润滑防冰表面完全吸收(如图6所示)。
在无外加磁场的情况下，实施例3所述磁敏多孔润滑防冰表面在结冰-除冰循环过程中，表现出极低的冰附着强度，并从第12次循环开始其在无外加磁场条件下的防冰性能开始趋于稳定。
在-24℃下，通过使用山度数显测力计(SH-500N)沿平行磁敏多孔润滑表面的方向推除冻结在表面的冰块，为了保证该方法的稳定性，重复进行了多次结冰-除冰循环，结果表明：如图7所示，在无外加磁场的条件下，20次结冰-除冰循环中，实施例3所述磁敏多孔润滑表面的平均冰附着强度为0.79kPa，其中最小冰附着强度0.078kPa；如图8所示，在磁场强度为110mT的条件下，实施例3所述磁敏多孔润滑表面在前180次结冰-除冰循环过程中，能保持极低的冰附着强度，表现出极佳的长效防冰性能；在补充磁流体后，在之后的180次结冰-除冰循环过程中，仍能保持极低的冰附着强度，表现出可迅速修复的特性。
在常温常压下，实施例3～3所述、通过调节糖类组成制备的、具有不同孔分布的磁敏多孔防冰复合材料对磁流体的吸附能力如图9所示，实施例3中葡萄糖与蔗糖质量比为1：3制备的磁敏多孔防冰复合材料对磁流体的吸收率最高。
与现有技术相比，本方法在外加磁场的作用下，磁敏多孔润滑表面在多次结冰-除冰循环过程中，能保持极低的冰附着强度；所述磁敏多孔润滑表面在多次结冰-除冰循环之后，通过补充磁流体，仍能保持极低的冰附着强度，表现出可迅速修复的特性。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。
Claims (6)
1.一种磁敏多孔润滑的飞机防冰表面的实现方法，其特征在于，通过聚二甲基硅氧烷预聚物及其固化剂、甲苯、糖类、磁性纳米颗粒和二甲基硅油的混合均匀和干燥固化，得到磁敏多孔防冰复合材料的前驱体；经过该前驱体与乙醇的水溶液多次进行溶剂交换并干燥，得到磁敏多孔防冰复合材料；将上述复合材料粘附在目标表面上，待粘合剂完全固化后向复合材料表面滴加磁流体直至吸附饱和，得到磁敏多孔润滑的防冰表面；
所述的聚二甲基硅氧烷预聚物及其固化剂、甲苯、糖类、磁性纳米颗粒与二甲基硅油的质量比为(10～12):(20～22):(52～54):(14～16):1；
所述的磁流体由基液和经表面活性剂处理过的磁性纳米颗粒组成。
2.根据权利要求1所述的磁敏多孔润滑的飞机防冰表面的实现方法，其特征是，所述的聚二甲基硅氧烷预聚物与固化剂的质量比为(8～11):1。
3.根据权利要求1所述的磁敏多孔润滑的飞机防冰表面的实现方法，其特征是，所述的糖类为葡萄糖和蔗糖的混合物，其中葡萄糖与蔗糖的质量比为1:(1～3)。
4.根据权利要求1所述的磁敏多孔润滑的飞机防冰表面的实现方法，其特征是，所述的磁性纳米颗粒为经表面活性剂处理过的粒径800nm的四氧化三铁颗粒，该表面活性剂为油酸钠或平均分子量为2000的聚乙二醇。
5.根据权利要求1所述的磁敏多孔润滑的飞机防冰表面的实现方法，其特征是，所述的粘附，采用聚二甲基硅氧烷及其固化剂作为粘附剂，其中聚二甲基硅氧烷和固化剂的质量比为(8～11):1。
6.根据权利要求1所述的磁敏多孔润滑的飞机防冰表面的实现方法，其特征是，所述的基液为由重量百分比为80％的石蜡油和重量百分比为20％的Ⅲ级清洁环保航空煤油组成，表面活性剂为油酸钠或平均分子量为2000的聚乙二醇，磁性纳米颗粒为粒径800nm的四氧化三铁颗粒。
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