技术领域
[0001] 本
发明属于
复合材料加工技术及表面改性技术领域，具体涉及一种具有防覆冰功能的聚合物材料及其一体化成型方法。
背景技术
[0002] 聚合物基复合材料一般指连续
纤维/短纤维增强的
树脂基复合材料。纤维的高强度、高模量特性使其成为理想的承载体。基体材料粘结性能好，把纤维牢固地粘结起来，同时基体又能使
载荷均匀分布，并传递给纤维，允许纤维承受压缩和剪切载荷。纤维和基体之间的良好复合显示了各自的优势，并能实现最佳结构设计，具有具有轻量、高强度、高
刚度的特性，已广泛应用在国防和民生领域。如美国将玻璃纤维复合材料用于制作火箭的
发动机壳体、
燃料用的高压容器和
直升机旋翼桨叶等。国内C919飞机蒙皮使用大量复合材料层板。本发明中涉及到的聚合物基复合材料主要应用在航空
飞行器表面蒙皮和
风力发
电机领域。
[0003] 高空无人机、载人客机等飞行器表面结冰会影响风阻，造成能耗增大，大幅降低续航时间，关键部位结冰甚至有坠机风险。防
除冰技术研究具有重要意义。
[0004] 区别于电加热、机械振动等主动除冰技术，防覆冰技术是一种新兴的利用材料本征属性阻碍或延迟材料表面结/覆冰的技术。提升材料的
防冰性能主要有两种思路：1)通过构建分级微纳结构和低表面能修饰的方法，提高材料表面的超疏
水性，延缓
过冷液滴的冻结和降低材料的冰点，使过冷液滴在冻结前能够及时依靠
风力、自身重力等外力作用离开飞行器表面；2)通过在材料表面设置宏观和微观裂纹源的方法，降低冰与基体间冰粘附强度，控制冰层
位置与形状，使冰层在生长初期就因风力、自身重力等外力作用断裂脱离材料表面。本发明综合以上两种设计思路。
[0005] 现有在复合材料上集成防覆冰功能方法的技术路线皆为先制备复合材料，后在复合材料上构筑防覆冰结构。如
专利CN105504324A一种具有超疏水仿生表面的树脂基复合材料及其制备方法中，其制备方法需要对成型好的复合材料清洗打磨，随后还需要激光加工微结构和
喷涂疏水涂层等程序，具有步骤繁琐、成本高、微结构强度不稳定的缺点。
发明内容
[0006] 本发明的目的在于提出一种具有防覆冰功能的聚合物材料及其一体化成型方法，以解决当前技术在制备具有防覆冰功能的复合材料时成本高、步骤多和性能不稳定的问题。
[0007] 针对现有传统技术手段先成型复合材料后构建功能微纳结构的方法，本发明提供了一种具有防覆冰功能的聚合物材料一体化成型方法，能实现对覆冰的被动防护，具体方法包括以下步骤：
[0008] (1)精密
机械加工方法制备闭
合金属模具，清洗备用，并预涂
脱模剂；
[0009] (2)裁剪纤维布至合适形状，之后包裹芯材，制得干态纤维预制成型体；
[0010] (3)混合树脂、
固化剂和低表面能修饰剂，获得液态聚合物混合物；
[0011] (4)将所述干态纤维预制成型体置于所述闭合金属模具中，合模后将混合好的所述液态聚合物混合物注入所述干态纤维预制成型，并抽
真空，获得制件；
[0012] (5)设置
热压机的压力和
温度，所述制件在所述闭合金属模具中固化一定时间，控制所述固化的压力和温度，固化完成后缓慢降温；
[0013] (6)所述热压机降温至80℃或室温后，卸载压力并开模，将固化后的所述制件脱离所述闭合金属模具，并清理
飞边毛刺，获得一种具有防覆冰功能的聚合物材料。
[0014] 经一体化成型方法制备出的具有表面微结构的聚合物材料，具有超疏水的特性，并具有极低的冰粘附强度，大大提升复合材料的防覆冰性能。同时一体化方法具有阵列规则、组织结构均匀、尺寸精确的优点，避免在已成型的复合材料上加工微结构的传统方法可能带来的尺寸不稳定、阵列不规则、破坏基体和纤维连续性等缺点。
[0015] 作为一种优选的方案，步骤(1)中的所述闭合金属模具的模具材料为耐蚀
钢、
钛合金、高强
铝合金。
[0016] 更为优选的是，步骤(1)中所述闭合金属模具具有特殊形状微观结构，为倒金字塔、圆形或方形凹坑；所述倒金字塔凹坑的侧面与底面夹
角为45°-54°，长、宽、高的尺寸范围为1-200μm；所述方柱凹坑长度和高度的尺寸范围为1-200μm，所述圆形凹坑的直径和深度的尺寸范围为1-200μm，两个相邻倒金字塔、圆形或方形凹坑的间距范围为1-500μm。
[0017] 更为优选的是，步骤(2)中所述纤维布的材料为玻璃纤维、
碳纤维、芳纶纤维、
石棉纤维、钛酸
钾纤维、碳化
硅纤维、天然纤维、混杂纤维中的一种或多种。
[0018] 更为优选的是，步骤(3)中所述树脂包括聚酯、乙烯基酯、环
氧树脂、
酚醛树脂、聚苯硫醚、聚醚醚
酮和聚醚酰亚胺中的一种或多种。
[0019] 更为优选的是，步骤(3)中所述低表面能修饰剂所用材料为十七氟癸基三乙氧基硅烷或
硬脂酸。
[0020] 更为优选的是，步骤(3)中所述的液态聚合物混合物中混合非连续纤维或颗粒增强相，添加量为树脂
质量的0.5-3％；所述非连续纤维包括金属或陶瓷晶须、碳
纳米管，所述颗粒增强相包括金属或陶瓷纳米颗粒、
石墨烯。
[0021] 更为优选的是，步骤(3)中所述固化剂添加量为所述树脂质量的10-25％，所述低表面能修饰剂的添加量为所述树脂质量的0.1-2％。
[0022] 更为优选的是，步骤(5)中所述固化过程的温度范围为120-200℃，压力范围为0.5-1.2Mpa。
[0023] 一种具有防覆冰功能的聚合物材料采用前述任意一种方法制备得到。
[0024] 本发明的有益之处在于，本发明提供的一种具有防覆冰功能的聚合物材料及其一体化成型方法具有以下优势：
[0025] ①与传统技术手段先成型复合材料后加热构建结构的方法相比，本发明提供的方法实现了制备聚合物材料与在材料上集成防覆冰微结构两个功能同时完成的效果，具有操作简单，结构成型性好，微结构分布均匀的优点；
[0026] ②一种具有防覆冰功能的聚合物材料一体化成型方法制得的聚合物材料具有表面对液态水超疏水的特性，可以显著延长过冷液滴结冰时间，使过冷液滴有足够时间脱离表面；
[0027] ③一种具有防覆冰功能的聚合物材料一体化成型方法制得的聚合物材料具有极低的冰粘附强度，覆冰能在自然风力或重力作用下从聚合物材料表面脱落；
[0028] ④一种具有防覆冰功能的聚合物材料一体化成型方法制得的聚合物材料可作为飞行器和风力发电机
叶片等暴露在极端环境中的机器设备外表面
覆盖件；对风力机及飞机防除冰技术，尤其是被动防除冰技术的发展具有重要实践意义。
附图说明
[0029] 图1为本发明
实施例1中的一种具有防覆冰功能的聚合物材料一体化成型方法工艺流程示意图；
[0030] 图2为本发明中实施例1中的一种具有防覆冰功能的聚合物材料一体化成型方法所制备的具有防覆冰功能的聚合物材料的示意图；
[0031] 图3为本发明中实施例1中的一种具有防覆冰功能的聚合物材料一体化成型方法所制备的具有防覆冰功能的聚合物材料的微结构阵列示意图；
[0032] 图4为本发明中的一种具有防覆冰功能的聚合物材料一体化成型方法所制备的具有防覆冰功能的聚合物材料和闭合金属模具嵌合时的结构示意图。
[0033] 图中附图标记的含义：1-闭合金属模具，2-具有防覆冰功能的聚合物材料。
具体实施方式
[0034] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图1-4，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0035] 实施例1
[0036] 一种具有防覆冰功能的聚合物材料一体化成型方法，包括以下步骤：
[0037] (1)精密数控
车床制备内壁具有方形凹坑阵列微观结构的闭合7075
铝合金模具，清洗备用，并预涂脱模剂；
[0038] (2)裁剪纤维布至合适形状，之后包裹PVC
泡沫芯材，制得干态纤维预制成型体；纤维布选用SW220高强玻璃纤维，芯材选用PVC泡沫，尺寸为50mmx50mmx4mm；
[0039] (3)按3：1：0.01的质量比混合树脂、固化剂和低表面能修饰剂十七氟癸基三乙氧基硅烷FAS-17，获得液态聚合物混合物；
[0040] (4)将干态纤维预制成型体置于所述闭合金属模具中；合模后将液态聚合物混合物注入干态纤维预制成型体，直至出胶口流出无气泡的液态胶体为止，并抽真空，获得制件；
[0041] (5)设置热压机的压力为0.8Mpa，温度为120℃预热15min，之后加热至180℃，制件在闭合金属模具中固化150min，固化完成后缓慢降温；
[0042] (6)热压机温度降至80℃后，卸载压力并开模，将固化后的制件脱离闭合金属模具，并清理飞边毛刺等
缺陷，获得一种具有防覆冰功能的聚合物材料。
[0043] 依上法可获得的一种具有防覆冰功能的聚合物材料为具有防覆冰功能的玻璃纤维增强
环氧树脂复合材料。
[0044] 实施例2
[0045] 一种具有防覆冰功能的聚合物材料一体化成型方法，包括以下步骤：
[0046] (1)精密数控车床制备内壁具有倒金字塔凹坑阵列微观结构的闭合7075铝合金模具，清洗备用，并预涂脱模剂；
[0047] (2)裁剪纤维布至合适形状，之后包裹PVC泡沫芯材，制得干态纤维预制成型体；纤维布选用T700SC-12000-50C高强
碳纤维材料，且高强碳纤维材料上预涂环氧树脂浆剂；芯材选用PVC泡沫，尺寸为50mmx 50mmx4mm；
[0048] (3)按3：1：0.01的质量比混合树脂、固化剂和低表面能修饰剂十七氟癸基三乙氧基硅烷FAS-17，获得液态聚合物混合物；
[0049] (4)将干态纤维预制成型体置于所述闭合金属模具中；合模后将液态聚合物混合物注入干态纤维预制成型体，直至出胶口流出无气泡的液态胶体为止，并抽真空，获得制件；
[0050] (5)设置热压机的压力为0.8Mpa，温度为120℃预热15min，之后加热至180℃，制件在闭合金属模具中固化150min，固化完成后缓慢降温；
[0051] (6)热压机温度降至80℃后，卸载压力并开模，将固化后的制件脱离闭合金属模具，并清理飞边毛刺等缺陷，获得一种具有防覆冰功能的聚合物材料。
[0052] 依上法可获得的一种具有防覆冰功能的聚合物材料为具有防覆冰功能的碳纤维增强环氧树脂复合材料。
[0053] 实施例3
[0054] 一种具有防覆冰功能的聚合物材料一体化成型方法，包括以下步骤：
[0055] (1)精密数控车床制备内壁具有方形凹坑阵列微观结构的闭合7075铝合金模具，清洗备用，并预涂脱模剂；
[0056] (2)裁剪纤维布至合适形状，之后包裹PVC泡沫芯材，制得干态纤维预制成型体；纤维布选用芳纶纤维，芯材选用PVC泡沫，尺寸为50mmx 50mmx4mm；
[0057] (3)按3：1：0.01的质量比混合树脂、固化剂和低表面能修饰剂十七氟癸基三乙氧基硅烷FAS-17，获得液态聚合物混合物；
[0058] (4)将干态纤维预制成型体置于所述闭合金属模具中；合模后将液态聚合物混合物注入干态纤维预制成型体，直至出胶口流出无气泡的液态胶体为止，并抽真空，获得制件；
[0059] (5)设置热压机的压力为0.8Mpa，温度为120℃，预热15min，之后加热至180℃，制件在闭合金属模具中固化150min，固化完成后缓慢降温；
[0060] (6)热压机温度降至80℃后，卸载压力并开模，将固化后的制件脱离闭合金属模具，并清理飞边毛刺等缺陷，获得一种具有防覆冰功能的聚合物材料。
[0061] 依上法可获得的一种具有防覆冰功能的聚合物材料为具有防覆冰功能的芳纶纤维增强环氧树脂复合材料。
[0062] 实施例4
[0063] 一种具有防覆冰功能的聚合物材料一体化成型方法，包括以下步骤：
[0064] (1)精密数控车床制备内壁具有微米级方形凹坑阵列微观结构的闭合7075铝合金模具，清洗备用，并预涂脱模剂；
[0065] (2)裁剪纤维布至合适形状，之后包裹PVC泡沫芯材，制得干态纤维预制成型体；纤维布选用T700SC-12000-50C高强碳纤维材料，且高强碳纤维材料上预涂环氧树脂浆剂；芯材选用PVC泡沫，尺寸为50mmx 50mmx4mm；
[0066] (3)按3：1：0.01：0.01的比例混合树脂、固化剂、低表面能修饰剂十七氟癸基三乙氧基硅烷(FAS-17)、非连续纤维
碳纳米管，获得胶状混合物；非连续纤维碳纳米管的直径2-20nm，长度5-1000μm；
[0067] (4)将所述干态纤维预制成型体置于所述闭合金属模具中，合模后将混合好的所述胶状混合物注入所述干态纤维预制成型体，并抽真空，获得制件；
[0068] (5)设置热压机的压力为0.8Mpa，温度为120℃预热15min，之后加热至180℃，制件在闭合金属模具中固化150min，固化完成后缓慢降温；
[0069] (6)热压机温度降至80℃后，卸载压力并开模，将固化后的制件脱离闭合金属模具，并清理飞边毛刺等缺陷，获得一种具有防覆冰功能的聚合物材料。
[0070] 依上法可获得的一种具有防覆冰功能的聚合物材料为具有防覆冰功能的碳纤维增强的碳纳米管弥散强化环氧树脂复合材料。
[0071] 实施例5
[0072] 一种具有防覆冰功能的聚合物材料一体化成型方法，包括以下步骤：
[0073] (1)精密数控车床制备内壁具有倒金字塔凹坑阵列微观结构的闭合7075铝合金模具，清洗备用，并预涂脱模剂；
[0074] (2)裁剪纤维布至合适形状，之后包裹PVC泡沫芯材，制得干态纤维预制成型体；纤维布选用T700SC-12000-50C高强碳纤维材料，且高强碳纤维材料上预涂环氧树脂浆剂；芯材选用PVC泡沫，尺寸为50mmx 50mmx4mm；
[0075] (3)按3：1：0.01的质量比混合树脂、固化剂和低表面能修饰剂十七氟癸基三乙氧基硅烷FAS-17，获得液态聚合物混合物；
[0076] (4)将干态纤维预制成型体置于所述闭合金属模具中；合模后将液态聚合物混合物注入干态纤维预制成型体，直至出胶口流出无气泡的液态胶体为止，并抽真空，获得制件；
[0077] (5)设置热压机的压力为0.8Mpa，温度为120℃预热15min，之后加热至180℃，制件在闭合金属模具中固化150min，固化完成后缓慢降温；
[0078] (6)热压机温度降至80℃后，卸载压力并开模，将固化后的制件脱离闭合金属模具，并清理飞边毛刺等缺陷，获得一种具有防覆冰功能的聚合物材料。
[0079] 依上法可获得的一种具有防覆冰功能的聚合物材料为具有防覆冰功能的碳纤维增强环氧树脂复合材料。
[0080] 对实施例1-5制备得到的具有防覆冰功能的聚合物材料进行性能检测，检测项目包括
润湿角、结冰延迟时间和冰粘附强度，检测结果见表1。
[0081] 表1具有防覆冰功能的聚合物材料性能检测结果
[0082] 组别 润湿角(°) 结冰延迟时间(s) 冰粘附强度(kpa)实施例1 148.33 495 37.5
实施例2 153.67 642 31.4
实施例3 149.78 502 42.3
实施例4 155.5 700 28.9
实施例5 147.66 392 36.5
[0083] 从以上性能检测结果，可以看出实施例1-5制备的一种具有防覆冰功能的聚合物材料，具有表面对液态水有超疏水特性，可以显著延长过冷液滴结冰时间，使过冷液滴有足够时间脱离表面的特点；具有极低的冰粘附强度，覆冰能在自然风力或重力作用下从复合材料表面脱落的特点；可用于飞行器和风力发电机叶片等暴露在极端环境中的机器设备外表面覆盖件等优势。
[0084] 应当理解，以上所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。由本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。
