一种电热除冰离子凝胶及其制备方法和用途

技术领域

本发明属于离子凝胶技术领域，具体涉及一种电热除冰离子凝胶及其制备方法和用途。

背景技术

风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。寒冷地区更高的空气密度会带来大约10％的额外发电量，因此风电场多建设在高纬度、高海拔的寒冷地区。这些地区冬季由于气温低、空气湿度大，极易造成风力发电机叶片覆冰。叶片覆冰改变叶片外型而使其气动性能改变，严重影响风力发电机的输出效率。同时，由于覆冰的增加，不仅叶片负荷加重严重影响其机械强度，而且叶片质量分布的不平衡，会产生不对称载荷，引发机械故障甚至停机。因此，针对风力发电机叶片除冰技术的研究具有重大现实意义。

电热除冰是利用电流通过导电网络时引起的焦耳热效应来防止覆冰的生成，进而导致基体表面水滴或积冰的脱落，最终达到除冰的目的。目前，主要采用离子液体或离子液体形成的离子凝胶作为导体材料，对该导体材料施加交流电，交流电通过导电材料时会引起焦耳热效应，从而达到除冰的效果。该种方法存在除冰方式单一、且除冰效率差的缺陷，亟待开发除冰方式多样且效率高的方法。

发明内容

为了改善现有技术的不足，本发明的目的是提供一种电热除冰离子凝胶及其制备方法和用途。所述电热除冰离子凝胶内掺杂有特定的润滑剂，掺杂有该润滑剂的电热除冰离子凝胶在电场作用下体积会收缩，且在体积收缩的过程中会释放该润滑剂，达到降低冰粘附的效果，同时所述电热除冰离子凝胶在加热状态下能够产生热量，实现双重除冰、除冰效率显著提高的目的。

本发明目的是通过如下技术方案实现的：

一种电热除冰离子凝胶，所述电热除冰离子凝胶的制备原料包括离子液体、聚合单体和润滑剂；其中，所述润滑剂选自石蜡、润滑油中的至少一种。

根据本发明的实施方式，所述石蜡选自正十四烷、正十六烷、正十八烷、正二十烷、正二十二烷中的任意一种或两种以上的组合。

根据本发明的实施方式，所述润滑油选自酯类润滑剂。

根据本发明的实施方式，所述电热除冰离子凝胶的制备原料包括如下质量份数的各组分：

离子液体60～80质量份；

聚合单体20～40质量份；

润滑剂150～200质量份。

根据本发明的实施方式，所述电热除冰离子凝胶的制备原料包括离子液体60质量份、65质量份、70质量份、75质量份或80质量份。

根据本发明的实施方式，所述电热除冰离子凝胶的制备原料包括聚合单体20质量份、25质量份、30质量份、35质量份或40质量份。

根据本发明的实施方式，所述电热除冰离子凝胶的制备原料包括润滑剂150质量份、160质量份、170质量份、180质量份、190质量份或200质量份。

根据本发明的实施方式，所述电热除冰离子凝胶的制备原料还包括交联剂和引发剂。具体的，所述电热除冰离子凝胶的制备原料还包括如下质量份数的各组分：

交联剂0.5～5质量份；

引发剂0.1～3质量份。

根据本发明的实施方式，所述电热除冰离子凝胶的制备原料包括交联剂0.5质量份、0.8质量份、1质量份、2质量份、3质量份、4质量份或5质量份。

根据本发明的实施方式，所述电热除冰离子凝胶的制备原料包括引发剂0.1质量份、0.2质量份、0.5质量份、0.8质量份、1质量份、1.2质量份、1.5质量份、1.8质量份、2质量份、2.2质量份、2.5质量份、2.8质量份或3质量份。

根据本发明的实施方式，所述离子液体选自咪唑类离子液体、季铵盐类离子液体、季鏻类离子液体、吡啶类离子液体、吡咯类离子液体、哌啶类离子液体中的至少一种。

根据本发明的实施方式，所述咪唑类离子液体选自1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲基磺酰亚胺盐、1-丙基-3-甲基咪唑双三氟甲基磺酰亚胺盐、1-丁基-3-甲基咪唑双三氟甲基磺酰亚胺盐、1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-乙基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐、1-乙基-3-甲基咪唑氯盐、1-丁基-3-甲基咪唑氯盐、1-乙基-3-甲基咪唑溴盐、1-丁基-3-甲基咪唑溴盐、1-乙基-3-甲基咪唑高氯酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑高氯酸盐、1-乙基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸盐、1-乙基-3-甲基咪唑三氟乙酸盐或1-丁基-3-甲基咪唑三氟乙酸盐中的任意一种或至少两种的组合。

根据本发明的实施方式，所述季胺盐类离子液体选自三丁基甲基铵双三氟甲磺酰亚胺盐。

根据本发明的实施方式，所述季鏻类离子液体选自四丁基膦双三氟甲磺酰亚胺盐和/或三丁基乙基膦双三氟甲磺酰亚胺盐。

根据本发明的实施方式，所述吡啶类离子液体选自N-乙基吡啶四氟硼酸盐、N-乙基吡啶六氟磷酸盐、N-乙基吡啶双(三氟甲烷磺酰)亚胺盐、N-丁基吡啶四氟硼酸盐、N-丁基吡啶六氟磷酸盐、N-丁基吡啶双(三氟甲烷磺酰)亚胺盐、N-己基吡啶四氟硼酸盐和N-己基吡啶六氟磷酸盐中的一种或多种。

根据本发明的实施方式，所述吡咯类离子液体选自N-丁基-N-甲基吡咯烷双(三氟甲烷磺酰)亚胺盐。

根据本发明的实施方式，所述哌啶类离子液体选自N-丁基-N-甲基哌啶双(三氟甲烷磺酰)亚胺盐。

根据本发明的实施方式，所述聚合单体选自丙烯酸类单体、丙烯酰胺类单体、丙烯酸酯类单体中的至少一种。

根据本发明的实施方式，所述丙烯酸类单体选自丙烯酸、甲基丙烯酸中的至少一种。

根据本发明的实施方式，所述丙烯酰胺类单体选自非离子型丙烯酰胺类单体、阴离子型丙烯酰胺类单体和阳离子型丙烯酰胺类单体中的至少一种。

根据本发明的实施方式，所述非离子型丙烯酰胺类单体选自丙烯酰胺、N,N’-二甲基丙烯酰胺和N-异丙基丙烯酰胺中的至少一种。

根据本发明的实施方式，所述阴离子型丙烯酰胺类单体选自丙烯酸、甲基丙烯酸、2-丙烯酸酰胺基-2-甲基丙磺酸和苯乙烯基磺酸中的至少一种。

根据本发明的实施方式，所述阳离子型丙烯酰胺类单体选自乙烯基咪唑、丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、二烯丙基二甲基氯化铵、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵和丙烯酰氧乙基苄基二甲基氯化铵中的至少一种。

根据本发明的实施方式，所述丙烯酸酯类单体选自甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸乙酯、丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸正丁酯、丙烯酸异丁酯、甲基丙烯酸正丁酯、甲基丙烯酸异丁酯、丙烯酸环己酯、甲基丙烯酸环己酯、丙烯酸异冰片酯、甲基丙烯酸异冰片酯中的至少一种。

根据本发明的实施方式，所述交联剂选自N,N’-亚甲基双丙烯酰胺、N-羟甲基丙烯酰胺中的至少一种。

根据本发明的实施方式，所述引发剂选自过硫酸铵、过硫酸钾等过硫酸盐中的至少一种。

根据本发明的实施方式，所述电热除冰离子凝胶为所述制备原料的固化物。具体的，所述电热除冰离子凝胶包括除润滑剂以外的制备原料的固化物形成的离子凝胶基体和分散在离子凝胶基体中的润滑剂；还具体的，所述润滑剂分散在离子凝胶基体的孔隙中。

根据本发明的实施方式，所述电热除冰离子凝胶具有电响应性能，在电场作用下，所述电热除冰离子凝胶的体积发生收缩，能够释放掺杂其中的润滑剂，降低冰粘附性能，进而获得同时具有降低冰粘附和热效应双重性能的电热除冰离子凝胶。

本发明还提供上述电热除冰离子凝胶的制备方法，所述方法包括如下步骤：

1)将离子液体、聚合单体混合，获得前驱体溶液；

2)对前驱体溶液进行固化反应，制备得到离子凝胶基体；

3)将步骤2)的离子凝胶基体与润滑剂混合，制备得到所述电热除冰离子凝胶。

根据本发明的实施方式，步骤1)的前驱体溶液中还混合有交联剂和引发剂。

根据本发明的实施方式，步骤1)中，所述离子液体的定义如上所述，所述聚合单体的定义如上所述。

根据本发明的实施方式，步骤1)中，所述交联剂的定义如上所述，所述引发剂的定义如上所述。

根据本发明的实施方式，步骤1)中，所述前驱体溶液中离子液体、聚合单体、交联剂和引发剂的投料比如上所述。

根据本发明的实施方式，步骤1)中，所述混合的温度为室温，所述混合时间为1～6小时。

根据本发明的实施方式，步骤2)中，所述固化反应为在40～60℃下保温20～60min进行第一阶段固化反应，随后在25～35℃下保温4～10h进行第二阶段固化反应，最后在70～90℃下保温2～6h进行第三阶段固化反应。

其中，所述第一阶段固化反应为预固化反应，经过此操作过程，能够使前驱体溶液实现初步聚合，并保持一定的转化率；随后在低温下进行的第二阶段固化反应能够使反应体系的分子量变大；最后在高温下进行的第三阶段固化反应能够使体系达到较高的固化度。

根据本发明的实施方式，步骤2)中，所述固化反应例如是在聚四氟乙烯模具中进行的。

示例性地，将前驱体溶液倒入40mm×20mm×2mm的聚四氟乙烯模具中，放入50℃的烘箱中反应30min，取出后在室温下放置8h，再放入80℃烘箱中反应4h，得到离子凝胶基体。

根据本发明的实施方式，步骤3)中，所述混合的温度为室温，所述混合时间为0.5～5h。

根据本发明的实施方式，步骤3)中，所述混合的过程例如为将离子凝胶基体浸泡到润滑剂或含有润滑剂的溶液中。所述混合的过程中，润滑剂分散在离子凝胶基体的孔隙中。

本发明还提供上述电热除冰离子凝胶的用途，其用于电热除冰领域。

本发明还提供一种电热除冰装置，所述电热除冰装置包括上述的电热除冰离子凝胶、电极和交流电源；其中，所述电极设置于所述电热除冰离子凝胶的两端，所述电极与所述交流电源电连接形成闭合回路。

根据本发明的实施方式，所述电极的材料选自石墨、导电金属或者其合金。示例性地，所述电极为铝电极或铜电极。

根据本发明的实施方式，所述电极设置于所述电热除冰离子凝胶的两端，组装成电极-电热除冰离子凝胶-电极的结构。

本发明还提供上述电热除冰装置的制备方法，包括如下步骤：

(a)准备电热除冰离子凝胶，并裁成所需形状，两端贴上电极，形成紧密粘接；

(b)将电极接上交流电源进行电连接，形成闭合回路。

本发明还提供上述电热除冰装置的用途，其用于电热除冰领域。

本发明的有益效果：

本发明提供了一种电热除冰离子凝胶及其制备方法和用途，所述电热除冰离子凝胶具有电响应性能，在电场作用下，会产生热效应，另外，所述电热除冰离子凝胶的体积发生收缩，能够释放掺杂其中的润滑剂，降低冰粘附性能，进而获得同时具有热效应和降低冰粘附性能的电热除冰离子凝胶。综上，所述电热除冰离子凝胶不仅可以通过加热融化表面冰，还可以降低冰粘附效果，实现对于覆冰的高效去除。

附图说明

图1为用于表征电热除冰离子凝胶性能的装置结构示意图。

具体实施方式

下文将结合具体实施例对本发明做更进一步的详细说明。应当理解，下列实施例仅为示例性地说明和解释本发明，而不应被解释为对本发明保护范围的限制。凡基于本发明上述内容所实现的技术均涵盖在本发明旨在保护的范围内。

下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法；下述实施例中所用的试剂、材料等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

实施例1

将30质量份的丙烯酸单体(AA)和70质量份的1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐([EMIm][BF

将前驱体溶液倒入40mm×20mm×2mm的聚四氟乙烯模具中，放入50℃的烘箱中反应30min，取出后在室温下放置8h，再放入80℃烘箱中反应4h，得到离子凝胶基体。

将制备好的离子凝胶基体放置在浓度为10％的石蜡溶液(由石蜡和乳化剂制成的稳定乳状液，石蜡浓度为10％)中浸泡1h，获得电热除冰离子凝胶。所述电热除冰离子凝胶的制备原料包括如下质量份数的各组分：离子液体70质量份；聚合单体30质量份；润滑剂150质量份。所述电热除冰离子凝胶包括除石蜡以外的制备原料的固化物形成的离子凝胶基体和分散在离子凝胶基体的孔隙中的石蜡。

在获得的电热除冰离子凝胶两端分别用40mm×10mm的铝电极覆盖，组装成电极-凝胶-电极结构，将电极两端接上交流电。在电场的作用下，掺杂有石蜡的离子凝胶体积收缩并释放出石蜡，达到降低冰粘附的效果，同时所述离子凝胶在加热状态下能够产生热量，实现双重除冰的目的。

将组装成的电极-凝胶-电极结构夹在两块玻璃片之间(如图1所示，上下两层为玻璃层，中间灰度层为电极-凝胶-电极结构)，放入冰箱中，在-20℃下结冰3小时。结冰后，两块玻璃板上附着有一层冰层，且玻璃板变得不透明，然后将其于室温中倾斜15°放置进行除冰试验。当施加150V电压通电27s时，玻璃板恢复其半透明状态，并很快从玻璃板上滑走。这可以说明在电场的作用下，掺杂有石蜡的离子凝胶体积收缩并释放出石蜡，达到降低冰粘附的效果，同时所述离子凝胶在加热状态下能够产生热量，实现双重除冰的目的。

实施例2

其他操作同实施例1，区别在于将制备好的离子凝胶基体放置在浓度为15％的酯类润滑油(由酯类润滑油和乳化剂制成的稳定乳状液，酯类润滑油浓度为15％)中浸泡1h。

获得的电热除冰离子凝胶取得了与实施例1相似的效果，其在当施加150V电压通电25s时，玻璃板恢复其初始透明状态。

对比例1

将30质量份的丙烯酸单体(AA)和70质量份的1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐([EMIm][BF

将前驱体溶液倒入40mm×20mm×2mm的聚四氟乙烯模具中，放入50℃的烘箱中反应30min，取出后在室温下放置8h，再放入80℃烘箱中反应4h，得到离子凝胶。

在获得的离子凝胶两端分别用40mm×10mm的铝电极覆盖，组装成电极-凝胶-电极结构，将电极两端接上交流电。在电场的作用下，由于该离子凝胶中没有掺杂润滑剂，离子凝胶体积收缩后没有润滑剂释放，无法实现降低冰粘附的效果。

将组装成的电极-凝胶-电极结构夹在两块玻璃片之间(如图1所示，上下两层为玻璃层，中间灰度层为电极-凝胶-电极结构)，放入冰箱中，在-20℃下结冰3小时。结冰后，两块玻璃板上附着有一层冰层，且玻璃板变得不透明，然后将其于室温中倾斜15°放置进行除冰试验。当施加150V电压通电30s后，玻璃板仍未恢复其初始透明状态，并且冰层没有从玻璃板上滑走。这可以说明在电场的作用下，没有掺杂润滑剂的离子凝胶即使体积发生收缩，也无法达到降低冰粘附的效果。

以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。