具有除防冰功能的表面活性剂/疏水缔合聚合物黏弹性流体及其制备方法与流程

2021-02-02 17:02:39|

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本发明属于除防冰技术领域，具体涉及一种具有除防冰功能的表面活性剂/疏水缔合聚合物黏弹性流体。

背景技术：

在高寒环境中，物体表面极易结冰，例如汽车挡风玻璃、飞机外表面、火车表面及底部、输水管道等。结冰不仅会造成安全隐患，还会大幅度增加能耗。除去已形成的结冰且在较长时间内防止结冰最方便、高效的办法是使用具有极低冰点且具有良好黏弹性的流体。这类流体可直接喷涂在物体表面，形成一层液体薄膜，不仅能将物体表面的结冰融化，还能黏附在表面在较长时间内防止结冰，因此被称为非牛顿型除冰防冰液。

水溶性疏水缔合聚合物常用于增稠醇/水混合溶剂制备非牛顿型除冰防冰液。然而，一方面，当所需除冰防冰液黏度较高时，要求疏水缔合聚合物的浓度也较高，造成成本升高；另一方面，由于疏水缔合作用较弱，对外力作用敏感，缔合结构易被外力作用破坏，因此流体的表观黏度耐剪切较差。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种具有除防冰功能的表面活性剂/疏水缔合聚合物黏弹性流体及其制备方法，实现低浓度疏水缔合聚合物的配比下高的表观粘度，降低成本，同时提高黏弹性流体的耐剪切能力。

本发明的构思是：表面活性剂在溶液中会由于尾链的疏水作用而自组装形成胶束结构，这些胶束结构很容易与疏水缔合聚合物相互作用，有望实现协同增效作用，增强溶液的表观黏度，并在一定程度上提高抗剪切性能。因此，本发明提出使用疏水缔合聚合物/表面活性剂混合物在醇水混合溶剂中构建具有除冰防冰功能的黏弹性流体。

本申请中“疏水缔合聚合物/表面活性剂”中的“/”是指复合、混合，并非“或”。

本发明中，所述聚合物或表面活性剂均为现有产品，可通过市场购买或自制。

本发明提供的具有除冰防冰功能的表面活性剂/疏水缔合聚合物黏弹性流体，其组分及各组分的质量百分含量如下：表面活性剂0.2～1.5％，疏水缔合聚合物0.005～0.15％，去离子水44.6～50％，醇49.6～55％。

上述表面活性剂/疏水缔合聚合物黏弹性流体，所述表面活性剂为n-(顺-二十二碳-13-烯酸酰胺基丙基)-n,n-二甲基羧酸甜菜碱，其分子结构如下：

上述表面活性剂/疏水缔合聚合物黏弹性流体，所述疏水缔合聚合物为具有如下结构通式的疏水缔合物中的至少一种，

式中，97.5≤a≤99.5，0.5≤b≤2.5，c为8～18的任意整数。

上述表面活性剂/疏水缔合聚合物黏弹性流体，所述醇为碳原子数为2～5的二元烷基醇的至少一种，和/或碳原子数为2～5的多元烷基醇中的至少一种。

上述表面活性剂/疏水缔合聚合物黏弹性流体，所述醇为二元烷基醇乙二醇、1,2-丙二醇、1,3-丙二醇中的至少一种，和/或多元烷基醇丙三醇；进一步优选为醇为乙二醇。

本发明提供的上述面活性剂/疏水缔合聚合物黏弹性流体的制备方法：将去离子水、醇混合并搅拌均匀形成混合溶剂，均分成两份；分别向两份混合溶剂中加入表面活性剂和疏水缔合聚合物，并搅拌至充分溶解得到两份溶液；再将两分溶液混合并搅拌至完全溶解。

本发明还提供上述表面活性剂/疏水缔合聚合物黏弹性流体在除冰防冰中的应用。

本发明还提供上述表面活性剂/疏水缔合聚合物黏弹性流体在汽车挡风玻璃、飞机外表面、火车表面及底部、输水管道除冰防冰中的应用。

用于除冰或防冰时，将所述表面活性剂/疏水缔合聚合物黏弹性流体均匀喷涂或涂覆于物体表面即可。

本发明提供一种组合物，包括的组分及各组分的质量百分含量如下：表面活性剂0.2～1.5％，疏水缔合聚合物0.005～0.15％，去离子水44.6～50％，醇49.6～55％。

所述表面活性剂为n-(顺-二十二碳-13-烯酸酰胺基丙基)-n,n-二甲基羧酸甜菜碱，其分子结构如下：

所述疏水缔合聚合物为具有如下结构通式的疏水缔合物中的至少一种，

式中，97.5≤a≤99.5，0.5≤b≤2.5，c为8～18的任意整数。

该组合物可以在制备黏弹性流体，特别是制备具有除冰防冰功能的黏弹性流体中应用。

本发明还提供表面活性剂和疏水缔合聚合物在制备具有除冰防冰功效的黏弹性流体中的组合或联合应用，所述表面活性剂为n-(顺-二十二碳-13-烯酸酰胺基丙基)-n,n-二甲基羧酸甜菜碱，其分子结构如下：

所述疏水缔合聚合物为具有如下结构通式的疏水缔合物中的至少一种，

式中，97.5≤a≤99.5，0.5≤b≤2.5，c为8～18的任意整数。

所述表面活性剂和所述疏水缔合聚合物能够组合或联合应用在制备表观粘度大、抗击剪切能力强的黏弹性流体中，发挥协同增黏的效果。应用时采用醇水溶剂。

所述“组合”应用是指所述表面活性剂和所述疏水缔合聚合物在同一配方中同时采用，所述“联合”应用是指所述表面活性剂和所述疏水缔合聚合物也可以分别在两种产品中采用，仅在是使用状态下实现组合，发挥协同增黏的效果。应用时采用醇水溶剂。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明所述具有除冰防冰功能的黏弹性流体通过疏水缔合聚合物与表面活性剂的协同增效，大幅度地降低了聚合物和表面活性剂的使用量，在低浓度的使用量下也能够达较高的表观粘度，显著降低了成本。同时疏水缔合聚合物与表面活性剂的协同增效作用提高了黏弹性流体的耐剪切能力。

2.本发明所述具有除冰防冰功能的黏弹性流体在使用时不需要添加任何外加剂，使用方便，且不含无机盐，对物体表面的腐蚀小，环境友好，因此具有良好的稳定性和使用安全性，可大规模生产和使用。

3.本发明所述具有除冰防冰功能的黏弹性流体同时含有疏水缔合聚合物和表面活性剂，流体的表面张力低、表观黏度大，极易黏附在各类物体表面上，因此应用范围广。

4.本发明所述具有除冰防冰功能的黏弹性流体具有耐极端低温的特点，流体的冰点低于-40℃，因此使用温度范围广。

5.本发明所述具有除冰防冰功能的黏弹性流体的配方中，可通过改变醇的种类、含量以及疏水缔合聚合物浓度或表面活性剂浓度调节流体的流变性能，因此具有良好的可适用性。

附图说明

图1为0.01％疏水缔合聚合物与不同浓度表面活性剂n-(顺-二十二碳-13-烯酸酰胺基丙基)-n,n-二甲基羧酸甜菜碱混合物体系的黏度—剪切速率关系；

图2为0.25％表面活性剂n-(顺-二十二碳-13-烯酸酰胺基丙基)-n,n-二甲基羧酸甜菜碱体系的黏度—剪切速率关系；

图3为涂覆和没有涂覆黏弹性流体的玻璃表面在-20℃环境中3h后的结冰情况对比。

图4为0.1％疏水缔合聚合物与不同浓度表面活性剂混合物体系的黏度—剪切速率关系。

具体实施例

下面通过实施例对本发明所述具有除冰防冰功能的黏弹性流体及其制备方法做进一步说明。有必要指出，以下实施例只用于对本发明作进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员根据上述发明内容，对本发明做出一些非本质的改进和调整进行具体实施，仍属于发明保护的范围。

以下实施例中，所用表面活性剂和疏水缔合聚合物均为实验室自制，所述醇均为市场试剂公司购买。

实施例1

本实施例中，所述具有除冰防冰功能的黏弹性流体的配方如下表：

制备：在室温下将配方量的乙二醇加入到去离子水中并搅拌均匀形成混合溶剂，再分成两等份混合溶剂。向其中一份混合溶剂中加入n-(顺-二十二碳-13-烯酸酰胺基丙基)-n,n-二甲基羧酸甜菜碱，并搅拌至充分溶解；另一份加入疏水缔合聚合物，并搅拌至充分溶解。再将两份溶液混合均匀得到具有除冰防冰功能的黏弹性流体。

根据中华人民共和国石油化学行业标准sh/t0090—1991《发动机冷却液冰点测定法》对该黏弹性流体的冰点进行测试，该黏弹性流体的冰点为-43.6℃。

在-20℃时通过旋转流变仪(antopaar，mcr301)测定流体的表观黏度与剪切速率的关系，结果如图1所示。作为对比，按如下配比制备不加表面活性剂的流体：疏水缔合聚合物0.01％，水47.39％，乙二醇52.60％(固定乙二醇和水的体积为1:1不变计算得到的，以下同理)，然后进行进行相同测试，结果也显示在图1中。同时，作为对比，按照如下配比制备不加入疏水缔合聚合物的流体：表面活性剂为0.25％，水为47.27％，乙二醇为52.48％，然后进行相同测试，结果显示在图2中。

由图1可知，在-20℃时，0.01％的疏水缔合聚合物体系的黏度在低剪切速率区域保持稳定，但随着剪切速率增加，黏度下降，表现出明显的剪切变稀特性，即表现为非牛顿流体。0.01％疏水缔合聚合物+0.25％表面活性剂混合体系也表现为非牛顿流体，但其黏度在整体上明显大于0.01％的疏水缔合聚合物体系的黏度。当剪切速率为0.01s^-1时，0.01％的疏水缔合聚合物体系的黏度为650mpa·s，0.01％疏水缔合聚合物+0.25％表面活性剂混合体系的黏度为7100mpa·s。由图2可知，在-20℃时，不含疏水缔合聚合物的0.25％表面活性剂体系的几乎没有表现出剪切变稀特性，其低剪切速率的黏度仅为50mpa·s。由此可知，0.01％疏水缔合聚合物+0.25％表面活性剂混合体系的黏度远远大于单独的疏水缔合聚合物体系和单独的表面活性剂体系或者二者之和，表明疏水缔合聚合物与表面活性剂发生了显著的协同增效作用。

实施例2：

本实施例中，所述具有除冰防冰功能的黏弹性流体的配方如下表：

根据中华人民共和国石油化学行业标准sh/t0090—1991《发动机冷却液冰点测定法》对该黏弹性流体的冰点进行测试，该黏弹性流体的冰点为-43℃。

在-20℃时通过旋转流变仪(antopaar，mcr301)测定流体的表观黏度与剪切速率的关系，结果如图1所示。作为对比，按以下配比制备不加表面活性剂的流体：聚合物为0.01％，水为47.39％，乙二醇为52.60％，然后进行相同测试，结果也显示在图1中。

由图1可知，在-20℃时，0.01％疏水缔合聚合物+0.5％表面活性剂混合体系的表观黏度远大于单纯的0.01％疏水缔合聚合物体系的表观黏度，且剪切变稀时对应的剪切速率也明显较大，表明抗剪切能力增强。由此可知，疏水缔合聚合物/表面活性剂混合体系具有更大的表观黏度和更强的耐剪切能力。

将玻璃片下部分涂覆该黏弹性流体并置于-20℃环境中3h，再取出观察玻璃表面的结冰情况。如图3所示，涂覆有黏弹性流体的表面没有变化，没有发现有结冰，而没有涂覆黏弹性流体的上部分则全部结冰，表明该黏弹性流体具有良好的防结冰性能。

实施例3：

本实施例中，所述具有除冰防冰功能的黏弹性流体的配方如下表：

根据中华人民共和国石油化学行业标准sh/t0090—1991《发动机冷却液冰点测定法》对该黏弹性流体的冰点进行测试，该黏弹性流体的冰点为-43℃。

在-20℃时通过旋转流变仪(antopaar，mcr301)测定流体的表观黏度与剪切速率的关系，结果如图1所示。作为对比，按照以下配比制备不加表面活性剂的流体：聚合物为0.01％，水为47.39％，乙二醇为52.60％，然后再进行相同测试，结果也显示在图1中。

由图1可知，在-20℃时，0.01％疏水缔合聚合物+0.75％表面活性剂混合体系的表观黏度远大于单纯的0.01％疏水缔合聚合物体系的表观黏度，且剪切变稀时对应的剪切速率也明显较大，表明抗剪切能力增强。由此可知，疏水缔合聚合物—表面活性剂混合体系具有更大的表观黏度和更强的耐剪切能力。

实施例4：

本实施例中，所述具有除冰防冰功能的黏弹性流体的配方如下表：

根据中华人民共和国石油化学行业标准sh/t0090—1991《发动机冷却液冰点测定法》对该黏弹性流体的冰点进行测试，该黏弹性流体的冰点为-42℃。

在-20℃时通过旋转流变仪(antopaar，mcr301)测定流体的表观黏度与剪切速率的关系，结果如图1所示。作为对比，按以下配比制备不加入表面活性剂的流体：聚合物为0.01％，水为47.39％，乙二醇为52.60％，再进行相同测试，结果也显示在图1中。

由图1可知，在-20℃时，0.01％疏水缔合聚合物+1.5％表面活性剂混合体系的表观黏度远大于单纯的0.01％疏水缔合聚合物体系的表观黏度，且剪切变稀时对应的剪切速率也明显较大，表明抗剪切能力增强。由此可知，疏水缔合聚合物/表面活性剂混合体系具有更大的表观黏度和更强的耐剪切能力。

实施例5：

本实施例中，所述具有除冰防冰功能的黏弹性流体的配方如下表：

根据中华人民共和国石油化学行业标准sh/t0090—1991《发动机冷却液冰点测定法》对该黏弹性流体的冰点进行测试，该黏弹性流体的冰点为-43℃。

在-20℃时通过旋转流变仪(antopaar，mcr301)测定流体的表观黏度与剪切速率的关系，结果如图4所示。作为对比，按以下配比制备不加表面活性剂的流体：聚合物为0.01％，水为47.36％，乙二醇为52.54％，再进行相同测试，结果也显示在图4中。

由图4可知，在-20℃时，0.1％疏水缔合聚合物+0.75％表面活性剂混合体系的表观黏度远大于单纯的0.1％疏水缔合聚合物体系的表观黏度，即疏水缔合聚合物/表面活性剂混合体系表现出明显的协同增效作用。

实施例6：

本实施例中，所述具有除冰防冰功能的黏弹性流体的配方如下表：

根据中华人民共和国石油化学行业标准sh/t0090—1991《发动机冷却液冰点测定法》对该黏弹性流体的冰点进行测试，该黏弹性流体的冰点为-42℃。

由图4可知，在-20℃时，0.1％疏水缔合聚合物+1.5％表面活性剂混合体系的表观黏度远大于单纯的0.1％疏水缔合聚合物体系的表观黏度，即疏水缔合聚合物/表面活性剂混合体系表现出明显的协同增效作用。

实施例7

本实施例中，所述具有除冰防冰功能的黏弹性流体的配方如下表：

制备：在室温下将配方量的丙三醇加入到去离子水中并搅拌均匀形成混合溶剂，再分成两等份混合溶剂。向其中一份混合溶剂中加入n-(顺-二十二碳-13-烯酸酰胺基丙基)-n,n-二甲基羧酸甜菜碱，并搅拌至充分溶解；另一份加入疏水缔合聚合物，并搅拌至充分溶解。再将两份溶液混合均匀得到具有除冰防冰功能的黏弹性流体。

实施例8

本实施例中，所述具有除冰防冰功能的黏弹性流体的配方如下表：

制备：在室温下将配方量的1,3-丙二醇加入到去离子水中并搅拌均匀形成混合溶剂，再分成两等份混合溶剂。向其中一份混合溶剂中加入n-(顺-二十二碳-13-烯酸酰胺基丙基)-n,n-二甲基羧酸甜菜碱，并搅拌至充分溶解；另一份加入疏水缔合聚合物，并搅拌至充分溶解。再将两份溶液混合均匀得到具有除冰防冰功能的黏弹性流体。

实施例9：

本实施例中，所述具有除冰防冰功能的黏弹性流体的配方如下表：

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