抗腐蝕防結冰塗層的製作方法

2023-05-30 20:26:26 2

專利名稱：抗腐蝕防結冰塗層的製作方法
技術領域：
本發明主要涉及塗層，更具體涉及用於各種部件的抗腐蝕防結冰塗層。
背景技術：
在航空領域，飛行器和燃氣渦輪發動機結構上結冰已經是一個長久的問題。冰的物理存在能夠對螺旋槳，如機翼、風扇葉片、進口導葉、鼓風出口導片等的空氣動力學性能產生不利影響。另外，凝結的冰增加的重量可能給部件造成預料不到的負擔，而且在極端情況下，甚至可能超出部件的負載能力。而且凝結的冰可能脫落，對飛行器發動機造成嚴重的破壞。
已經開發出防結冰系統來阻止在各種飛行器部件上的結冰，例如靠近發動機進口的那些部件。一些傳統的系統利用發動機中心內的高溫氣體，其中高溫空氣被抽送到需要阻止結冰的區域。這種系統具有很多缺點系統結構複雜、明顯增加了發動機的重量、需要複雜的熱量管理系統、損失的核心氣流導致了發動機效率降低、以及由於高的解凍溫度，這些系統通常需要用於構件的昂貴的材料或限定的材料。像這樣，對結冰問題的部分解決能夠具有很大的經濟利益(即如果解凍系統能夠更簡單、重量減小、和/或為了加熱使用更下的中心氣流等。)。
防結冰塗層(塗料)(icephobic coating)，即冰不會很好的粘附上面的塗層，可以降低或消除度傳統防結冰的需要。然而，一些現有的防結冰塗層基於可能含有固體或液體填料的熱塑性或熱固性樹脂。無保護的熱固或熱塑性材料典型的具有弱的抗腐蝕性，並且添加的固體或液體填料進一步降低了抗腐蝕性。這是不期望的，因為最需要結冰保護的發動機或飛行器部件位於嚴重的腐蝕性環境中。因而，需要比現有防結冰塗層具有更好抗腐蝕性能的防結冰塗層。
發明簡介現有的防結冰塗層的上述缺點可以被本發明涉及到改進的防結冰塗層的實施方式克服。液體和/或固體防結冰填料和/或油與抗腐蝕矽樹脂和/或碳氟化合物(fluorocarbon)彈性材料相結合，用於生產本發明的抗腐蝕防結冰塗層(塗料)。這些塗層可以具有小於約200kPa的冰附著強度，並且可以用於阻止在各種部件上結冰，例如但不限於氣體渦輪發動機部件、飛行器部件、船隻(即大小船隻)、電力線、電信線等。
這種抗腐蝕防結冰塗層可以包括(a)含有至少一種矽樹脂(silicone)相容油的矽樹脂彈性體(silicone elastomer)；(b)含有至少一種矽樹脂相容油和至少一種矽樹脂相容填料的矽樹脂彈性體；(c)包含至少一種分子量為約500-10000的碳氟化合物相容油的碳氟化合物彈性體；(d)包含至少一種碳氟化合物相容填料的碳氟化合物彈性體；(e)包含至少一種分子量為約500-10000的碳氟化合物相容油和至少一種碳氟化合物相容填料的碳氟化合物彈性體；在以下描述的過程中本發明的進一步詳述對本領域技術人員將會變得更加明顯。
以下參考附圖
描述本發明的實施方式，其中附圖是顯示了用於測試本發明各種實施方式的針形剪切測試裝置的示意圖。
發明詳述為了更好的理解本發明，現將參考本發明的一些實施方式。為了描述在這裡使用的術語是非限制性的。這裡詳細公開的結構和功能性描述並不是限制性說明，而僅僅作為教導本領域技術人員的根據。作為本領域技術人員通常實施的，在這些描述的結構和方法中所做的一些改進或變化以及這裡描述的本發明原理的進一步應用，被認為在如描述和要求的本發明的精神和範圍之內。
當參考一些值的數字範圍時，這些範圍包括在其中的每一個數字和/或片斷以及最小和最大之間的聲明範圍。例如，至多10.0重量％的範圍包括約0.0％、約1.0％、約2.0％、約3.0重量％等的所有中間值，一直向上並且包括約9.98％，約9.99％，約9.995％和約10重量％等。這適用於在此討論的所有數字範圍。
本發明涉及具有改進的抗腐蝕性的防結冰塗層。如這裡以及全文使用的，「防結冰塗層」既指不粘附冰的塗層，也指相對於底層冰的粘附力得到很大降低的塗層。與現有基於可能含有固體或液體填料的熱塑性或熱固性樹脂的防結冰塗層不同，本發明的防結冰塗層基於含有固體/或液體防結冰油和/或填料的抗腐蝕性彈性材料。
本發明的防結冰塗層可以包含各種充滿適當抗結冰添加劑的彈性材料。高強度的矽樹脂是一種可以在約-90(-68℃)至約400(240℃)環境下使用的彈性材料。碳氟化合物彈性材料是另一種可以用在約-25(-32℃)至約400(240℃)環境下使用的彈性材料。也可以使用聚氨酯彈性材料，因為它們具有優越的抗腐蝕能力，然而，它們差的高溫熱穩定性限制了它們只能在約-65(-54℃)至約250(121℃)環境下使用。在實施方式中，理想的可以使用碳氟化合物彈性材料，因為低溫碳氟化合物彈性材料，例如VitonGLT，比矽樹脂矽樹脂彈性體具有更好的高溫抗腐蝕性。在另外的實施方式中，矽樹脂彈性材料可以令人滿意的使用，因為它們比碳氟化合物彈性材料具有更低的冰粘附力。
冰是少數能粘附在多數已知聚合物上的物質中的一種，其中聚合物包括高強度矽樹脂彈性材料、碳氟化合物彈性材料、聚氨酯彈性材料、聚四氟乙烯(已知如Telon聚合物的PTFE)等。阻止冰粘附在這些材料上的一種方法包括在材料表面上提供一種流體界面或薄邊界層，使得冰不能夠粘附在那裡。在實施方式中，材料表面上的流體界面或薄邊界層提供了小於約200kPa的冰粘附力。
在實施方式中，可以通過用塗層塗覆基底得到部件表面上的薄邊界層，其中塗層具有惰性高分子矽樹脂聚合物油(即聚二甲基矽氧烷、聚甲基苯基矽氧烷、和/或聚三氟丙基甲基矽氧烷等)，與一種矽樹脂彈性材料(即鉑固化的乙烯基封端(terminated)的聚二甲基矽氧烷、過氧化物固化的乙烯基封端的聚二甲基矽氧烷、聚苯基甲基矽氧烷、聚三氟丙基甲基矽氧烷等)。在實施方式中，可以使用至多約10重量％的這種油。這種油在矽樹脂彈性材料中具有部分至全部相容性，並且不會很快向彈性材料外擴散。即這種油將保留在矽樹脂彈性材料的體相中，並且在塗層的整個壽命(即厚度)中提供有用的防結冰性能。
在另一實施方式中，通過在基底上塗覆一層塗層得到部件表面上的一層薄邊界層，其中塗層具有氟代烴或全氟代烴油(即已知如Krytox氟化潤滑劑的全氟烴基醚)，加入到低溫碳氟化合物彈性材料中(即偏二氟乙烯、四氟乙烯、全氟甲基乙烯基醚、全氟乙醚(perfluoroether)、六氟丙稀等)，在實施方式中，可以使用具有至多10重量％的分子量為約500-10000原子質量單位的這種油。
在另一實施方式中，可以通過在基底上塗覆低溫碳氟化合物塗層得到部件表面上的薄邊界層，其中塗層具有碳氟化合物相容的填料，能夠降低從彈性材料上脫落冰所需的能量。這種填料可以包括非常低附著的填料，例如細PTFE粉末(即Teflon聚合物粉末)，和/或具有很弱斷裂面的填料，例如石墨、硫化鉬和/或類似的無機氧化物。
在另一實施方式中，可以通過在基底上塗覆彈性矽樹脂塗層得到部件表面上的薄邊界層，其中塗層具有矽樹脂相容油和加入的矽樹脂相容填料。這種填料可以包括非常低粘附填料，例如細PTFE粉末(即Teflon聚合物粉末)，和/或具有很弱斷裂面的填料，例如石墨、硫化鉬和/或類似的無機氧化物。另外，這種填料可以包括一種或多種化學處理過的填料，例如羥基或乙烯基處理的熱解法二氧化矽、石英和/或沉積玻璃，這有助於油均勻分散在彈性材料中並且在整個彈性材料中持久保存，使得油不會向外擴散，因而在塗層的整個壽命(即厚度)中提供了有用的防結冰屬性。這種油可以包括聚二甲基矽氧烷、聚甲基苯基矽氧烷、和/或聚三氟丙基甲基矽氧烷等。
在另一實施方式中，可以通過在基底上塗覆碳氟化合物彈性塗層得到部件表面上的薄邊界層，其中塗層具有碳氟化合物相容油和加入的碳氟化合物相容填料。這種填料可以包括非常低粘附填料，例如細PTFE粉末(即Teflon聚合物粉末)，和/或具有很弱斷裂面的填料，例如石墨、硫化鉬和/或類似的無機氧化物。這樣的油可以包括全氟烷基醚(perfluoroalkylether)(已知如Krytox氟化潤滑劑)等。在實施方式中，可以使用具有至多約10重量％的分子量為約500-10000原子質量單位的這種油。
本發明的防結冰塗層(塗料)可以以任何合適的方式施加到部件上，例如但不局限於，通過傳統的溶劑輔助的噴塗、靜電噴塗、刷塗、浸塗、和/或在薄片粘接等。這些塗層施加後，可以在溫度在約140至約350的烘箱中固化，以除去溶劑並產生交聯彈性體。
本發明的防結冰塗層可以用在各種部件上，其中部件包括合適的材料，例如但不局限於鋁、鈦、鋼、玻璃、陶瓷、複合物、鎂、和/或基於鎳或鈷的高溫合金(superalloy)等。一些示例性部件包括但不局限於氣體渦輪發動機部件(即定子、導向葉片、進口、頭錐體、風扇葉片、前沿結構(leading edge structure)等)、飛行器部件(即機翼、機身、推進器等)、船隻(即大小船隻)、電力線、電信線等。
實施例製備本發明的各種防結冰塗層，通過在鋁釘上塗覆一層示例性的防結冰塗層來測試塗層各自的冰粘附強度。如圖所示，將每個塗覆後的鋁釘10放置在零度錐形測試裝置20內，然後在裝置20內每個塗覆的鋁釘10上生長出一層10±2密耳厚的冰層30，其中冰層在鑄模40與塗覆鋁釘10之間的圓柱形縫隙內生長。通過將裝置20的溫度設置在-10±10大約6±1小時來生長冰層30。此後，通過鋁釘剪切測試來定量測定每個塗覆鋁釘10上的冰粘附強度。鋁釘剪切測試包括在鑄模的底部42擠壓鑄模，同時箭頭A的方向上軸向壓迫鋁釘。這使冰層30受到剪切力，從而測定出冰層從每個塗覆鋁釘10上脫落時的負荷。
測評不同的碳氟化合物彈性塗層。基礎碳氟化合物彈性材料是一種偏二氟乙烯、四氟乙烯和全氟甲基乙烯基醚(perfluoromethylvinylether)(已知如PLV3198VitonGLT)的溶劑化三元共聚物。生產9種不同的塗層並將它們塗覆到鋁釘樣品上，一種塗層不包含填料或油並且作為未填充的基線，其它8種塗層結合有如表1所示的不同的DuPont Krytox氟化油。Krytox143AB具有約3700原子質量單位的分子量。Krytox143AD具有約8250原子質量單位的分子量。KrytoxFSH具有約7000-7500原子質量單位的分子量。KrytoxFSL具有約2500原子質量單位的分子量。
表1
通過助溶劑噴塗在每個剪切測試的釘上噴塗約0.011」厚的塗層試樣，然後將每個塗覆鋁釘在300下加工處理約2小時。每個塗層試樣塗覆3個塗覆鋁釘。一旦被塗覆後，每個鋁釘都在如圖所示的裝置中進行如上測試。平均鋁釘剪切力是冰附著力的測量標準。越低的的平均鋁釘剪切力意味著從釘上剝離冰所需的能量越少，使得集結冰的可能性越少。Teflon聚合物具有約238kPa的平均鋁釘剪切力，其是已知對於固體材料來說最低的值。但是，對於氣體渦輪發動機中的應用，Teflon聚合物不足以阻止冰的凝結，同樣在航空合成材料部件上應用也比較困難。如上表1中所示的平均剪切力，試樣8、7、3和4顯示了比Teflon聚合物低的冰附著力，而試樣1、2、6、9和5顯示了比Teflon聚合物高的冰附著力，這非常有意義，因為碳氟化合物抗腐蝕塗層可以非常容易的以各種方式應用到複合物和金屬結構上，例如通過溶劑輔助的噴塗、靜電噴塗、浸塗、用液態碳氟化合物刷塗、共固化(co-curing)和/或在薄片粘接等。碳氟化合物抗腐蝕塗層也可以提供優秀的航空液壓油抵抗力。
各種矽樹脂彈性塗層也被測評，基礎矽樹脂彈性材料是MED10-6640，一種來自NuSil Technology的鉑固化的乙烯基封端(terminated)的聚二甲基矽氧烷。生產7種不同的塗層並將它們塗覆到鋁釘樣品上，一種塗層不包含填料或油並且作為未填充的基線，其它6種塗層結合有如表II所示的各種油/流體。「Me2流體」是一種100000cps的聚二甲基矽氧烷流體，從Nusil Silicone Technology得到。「Gum Me2流體」是一種高粘度的(即高於約100000cps)的聚二甲基矽氧烷流體，從Nusil Silicone Technology得到。「Phenyl Me流體」是一種100000cps的聚苯基甲基矽氧烷流體，從Nusil Silicone Technology得到。「Fluorosilicone流體」是一種100000cps的聚三氟丙基甲基矽氧烷流體，從Nusil Silicone Technology得到。
表II
通過助溶劑噴塗在每個剪切測試的釘上施加約0.011-0.013」厚的塗層試樣，然後將每個塗覆鋁釘在350下固化約2小時。每個塗層試樣塗覆3個塗覆鋁釘。一旦被塗覆後，每個鋁釘都在如圖所示的裝置中進行如上測試。如上表II中所示的平均剪切力，所用試樣都顯示了比Teflon聚合物明顯低的冰附著力，這非常有意義，因為作為一種溶液，矽樹脂抗腐蝕塗層可以非常容易的以各種方式應用到複合物和金屬結構上，例如通過傳統的溶劑輔助噴塗、靜電噴塗、刷塗、浸塗、和/或在薄片粘接等。碳氟化合物抗腐蝕塗層也抵制航空液壓油的腐蝕。
如上所述，本發明提供了用於各種部件的抗腐蝕防結冰塗層。有利的，與現有的防結冰塗層相比，這些塗層具有更低的冰附著力，相當或更好的抗腐蝕性，使得它們在各種應用中更令人滿意，例如燃氣渦輪發動機部件上，如定子、導向葉片、進口、頭錐體、風扇葉片、前沿結構等。一些其它的實施方式和優點對相關領域的技術人員來說是顯而易見的。
本發明的各種實施方式已經在實現本發明滿足的各種需求時進行了描述。應當認識到這些實施方式僅僅是對本發明的不同實施方式原理性的描述。在不背離本發明精神和範圍的情況下，其中的一些改進和修改對本領域技術人員來說是顯而易見的。因此，這意味著本發明函蓋了所有來自附加的權利要求和與它們相當的範圍內進行的適當的改進和變化。
權利要求
1.一種抗腐蝕防結冰塗層，包括至少一種以下物質含有至多約10重量％聚二甲基矽氧烷流體的矽樹脂彈性體；含有至多約10重量％聚甲基苯基矽氧烷流體的矽樹脂彈性體；含有至多約10重量％聚三氟丙基甲基矽氧烷流體的矽樹脂彈性體；含有至多約10重量％的分子量為約500-10000的氟代烴油的碳氟化合物彈性體；含有至多約10重量％的分子量為約500-10000的全氟代烴油的碳氟化合物彈性體。
2.權利要求1的抗腐蝕防結冰塗層，其中矽樹脂彈性體包括至少一種以下物質鉑固化的乙烯基封端的聚二甲基矽氧烷、過氧化物固化的乙烯基封端的聚二甲基矽氧烷、聚苯基甲基矽氧烷、聚三氟丙基甲基矽氧烷。
3.權利要求1的抗腐蝕防結冰塗層，其中碳氟化合物彈性體包括至少一種以下物質偏二氟乙烯、四氟乙烯、全氟甲基乙烯基醚、全氟乙醚和六氟丙稀。
4.權利要求1的抗腐蝕防結冰塗層，其中氟代烴油包括全氟烷基醚油。
5.權利要求1的抗腐蝕防結冰塗層，其中流體和油分散在整個彈性體內，在抗腐蝕防結冰塗層的整個壽命中提供防結冰屬性。
6.權利要求1的抗腐蝕防結冰塗層，其中抗腐蝕防結冰塗層具有小於約200kPa的冰附著力。
7.一種塗覆有權利要求1的抗腐蝕防結冰塗層的部件。
8.權利要求7的部件，其中部件包括至少以下至少一種部件飛行器部件、燃氣渦輪發動機部件、船隻部件、電力線、電信線。
9.權利要求7的部件，其中部件至少包括以下至少一種部件定子、導向葉片、進口、頭錐體、風扇葉片、機翼、機身和推進器。
10.權利要求7的部件，其中部件至少包括以下至少一種鋁、鈦、鋼、玻璃、陶瓷、複合物、鎂、鎳基的高溫合金和鈷基的高溫合金。
11.一種抗腐蝕防結冰塗層，包括至少一種以下物質含有至少一種矽樹脂相容油的矽樹脂彈性體；含有至少一種矽樹脂相容油和至少一種矽樹脂相容填料的矽樹脂彈性體；含有至少一種分子量為約500-10000原子質量單位的碳氟化合物容油的碳氟化合物彈性體；含有至少一種碳氟化合物相容填料的碳氟化合物彈性體；和含有至少一種的碳氟化合物相容油，其分子量為約500-10000原子質量單位，以及至少一種碳氟化合物相容填料的碳氟化合物彈性體；
12.權利要求11的抗腐蝕防結冰塗層，其中矽樹脂彈性體包括至少一種以下物質鉑固化的乙烯基封端的聚二甲基矽氧烷、過氧化物固化的乙烯基封端的聚二甲基矽氧烷、聚苯基甲基矽氧烷、聚三氟丙基甲基矽氧烷。
13.權利要求11的抗腐蝕防結冰塗層，其中矽樹脂相容油包括至少一種如下物質聚二甲基矽氧烷流體、聚甲基苯基矽氧烷流體、和聚三氟丙基甲基矽氧烷流體。
14.權利要求11的抗腐蝕防結冰塗層，其中矽樹脂相容填料包括至少一種如下物質PTFE、石墨、硫化鉬、無機氧化物、石英、沉積玻璃、羥基處理的熱解法二氧化矽、和乙烯基處理的熱解法二氧化矽。
15.權利要求11的抗腐蝕防結冰塗層，其中碳氧化合物彈性體包括至少一種以下物質偏二氟乙烯、四氟乙烯、全氟甲基乙烯基醚、全氟乙醚和六氟丙稀。
16.權利要求11的抗腐蝕防結冰塗層，其中碳氟化合物相容油包括全氟烷基醚油。
17.權利要求11的抗腐蝕防結冰塗層，其中碳氟化合物相容填料包括至少一種如下物質PTFE、石墨、硫化鉬和無機氧化物。
18.權利要求11的抗腐蝕防結冰塗層，其中抗腐蝕防結冰塗層具有小於約200kPa的冰附著力。
19.權利要求11的抗腐蝕防結冰塗層，其中任何填料或油分散在整個彈性體內，以在抗腐蝕防結冰塗層的整個壽命中提供抗結冰屬性。
20.一種塗覆有權利要求11的抗腐蝕防結冰塗層的部件。
21.權利要求20的部件，其中部件包括以下至少一種飛行器部件、燃氣渦輪發動機部件、船隻部件、電力線和電信線。
22.權利要求20的部件，其中燃氣渦輪發動機部件至少包括以下一種定子、導向葉片、進口、頭錐體、風扇葉片、機翼、機身和推進器。
23.一種用冰附著力小於約200kPa的抗腐蝕防結冰塗層塗覆的部件，其中所述塗層包括以下至少一種含有矽樹脂相容油和矽樹脂相容填料中的至少一種的矽樹脂彈性體；含有碳氟化合物相容油和碳氟化合物相容填料中的至少一種的碳氟化合物彈性體。
全文摘要
液體和/或固體防結冰填料和/或油一起與抗腐蝕矽樹脂和/或碳氟化合物彈性材料結合製備抗腐蝕防結冰塗層。這些塗層可以用於防止在各種燃氣渦輪發動機部件、飛行器部件、船隻(即大小船隻)、電線、電信線等部件上結冰。
文檔編號C09D5/08GK1880396SQ20061009580
公開日2006年12月20日 申請日期2006年6月13日 優先權日2005年6月13日
發明者J·W·普特納姆 申請人:聯合工藝公司