本發(fā)明涉及防冰，更加具體地涉及一種促進冰成核的水凝膠微球、水凝膠微球的制備方法及防冰涂層。

背景技術：

1、冰雪在我們的日常生活中司空見慣，自然界中最常見的現象就包括液態(tài)水冷凍成固態(tài)冰。在冰晶形成方面，自然界也有其獨特而巧妙的方法來控制冰晶形成，例如蛋白界內存在一個特殊的家族—冰結合蛋白。其中兩個重要的分支—防冰蛋白和成核蛋白可以以完全相反的方式影響冰晶形成。防冰蛋白的分子量一般在3000-35000da，通常以單體蛋白分子出現。它可以吸附在冰晶表面上，使冰晶產生曲面，根據開爾文效應，抑制冰晶的進一步生長。防冰蛋白是目前最高效的生物防冰劑之一，但是從生物體內提取防冰蛋白是非常冗雜且低效的過程。雖然可以通過基因表達的方法人工合成防冰蛋白，但其價格也非常昂貴。并且大多數防冰蛋白的穩(wěn)定性較差，很容易失活，所以并沒有得到廣泛的應用。

2、而成核蛋白相對于防冰蛋白則大的多，分子量一般大于100000da，并且多以多聚體的形式出現。成核蛋白可以促進冰成核，使冰在較高的零下溫度下形成。

3、在寒冷環(huán)境下，冰霜和結冰會對交通工具(如飛機、汽車)、能源設施(如風力渦輪機葉片、輸電線路)和公共基礎設施(如橋梁、道路)造成嚴重問題，影響其正常運作和安全性。傳統(tǒng)的除冰方法，如化學融雪劑和機械除冰，可能對環(huán)境產生不利影響，因此開發(fā)更環(huán)保的解決方案是當務之急。隨著新型材料和表面技術的發(fā)展，尋找能夠有效抑制或控制冰成核過程的材料變得可能。高效冰成核劑的發(fā)現和應用是這一進步的直接體現。通過對材料表面進行工程設計，可以精確控制其對冰成核和生長的影響，從而有效抑制冰的附著和積累。

4、但是，一些傳統(tǒng)的冰成核材料的加入可能會影響涂層的其他性質，如減少透明度，這在某些應用中可能是不希望的。傳統(tǒng)涂層的不均勻應用可能會導致防冰性能在表面的不同區(qū)域表現不一致，影響整體效果。

技術實現思路

1、鑒于現有技術的上述問題，本發(fā)明技術方案提供了一種促進冰成核的水凝膠微球、水凝膠微球的制備方法及防冰涂層，能夠解決現有專利中的冰成核材料存在的至少部分問題。

2、本發(fā)明一方面提供了一種水凝膠微球的制備方法，包括如下步驟：

3、第一溶液制備步驟，將具有稀烯酰胺基團的第一單體和具有烯酸基團第二單體分別稱取然后溶解在水中，依次加入適量的交聯(lián)劑和光引發(fā)劑，得到第一溶液。

4、第二溶液制備步驟，在油性溶劑中加入表面活性劑，得到第二溶液。

5、混合步驟，將第一溶液和第二溶液以不同的流速向管道內同時釋放，得到混合溶液。

6、固化步驟，將混合溶液放在紫外燈箱中固化，得到水凝膠微球。

7、根據本發(fā)明的技術方案，第一單體和第二單體在交聯(lián)劑的促進和引發(fā)劑的作用下能夠良好聚合，且形成的聚合物具有相互連接、緊密排列的聚合物網絡結構。進一步地，利用第二溶液(油性)和第一溶液(水性)之間的剪切作用力，能夠有效的制備出不同尺寸、大小均一的微球，這樣的結構在保證了材料親水性的同時能夠獲得較大的比表面積。

8、并且，由于冰是通過水分子在低溫環(huán)境中的有序排列形成的，聚合的網絡結構能夠為水分子的排列提供一個有效的平臺和模板。此外，凝膠優(yōu)異的親水性以及較大的比表面積使其能夠吸附更多的水分子，這為冰的形成提供了便利的基礎條件，特定的尺寸結合其表面所具備的獨特的理化性質使得凝膠顆粒能夠在冰核形成過程中起到極大的促進作用，從而有效地提升純水凍結成冰的溫度。

9、實驗證明，本發(fā)明提供的水凝膠微球能夠在環(huán)境溫度為-2℃時誘導冰核的快速形成和生長，與目現有的冰成核材料相比，其具有更高的成核溫度，且具有良好的光學效果，微球的大小均一，不會影響材料整體的均一性。

10、作為本發(fā)明優(yōu)選的技術方案，在混合步驟中，第一溶液和第二溶液的流速之比為1:1-5:1。

11、根據該優(yōu)選技術方案，通過控制第一溶液和第二溶液的流速之比，可以控制制得的水凝膠微球的粒徑范圍在10μm-100μm之間，小粒徑的水凝膠微球能夠具有更好的光學性質，且能夠更好的與其他材料混合兼容，能夠較好的保持材料的光滑度和透明度。

12、作為本發(fā)明優(yōu)選的技術方案，在第二溶液制備步驟中，表面活性劑在油性溶劑中的濃度為1-10wt％。

13、根據該優(yōu)選的技術方案，表面活性劑能夠增加水凝膠前驅體與油性溶劑之間的剪切力，促進水凝膠前驅體形成大小均一的微球。

14、作為本發(fā)明優(yōu)選的技術方案，第一單體為甲基丙烯酰胺；第二單體為甲基丙烯酸。

15、根據該優(yōu)選技術方案，甲基丙烯酰胺和甲基丙烯酸能夠在光引發(fā)聚合的作用下生成更加緊密的聚合物網絡結構，提高水凝膠微球的比表面積，進一步促進冰成核。

16、作為本發(fā)明優(yōu)選的技術方案，交聯(lián)劑選自二甲基丙烯酰胺、n,n'-亞甲基雙丙烯酰胺和戊二醛中的一種或多種組合，引發(fā)劑選自過硫酸銨、過硫酸鉀和過硫酸鈉中的至少一種。

17、作為本發(fā)明優(yōu)選的技術方案，水凝膠微球中的第一單體、第二單體、交聯(lián)劑和光引發(fā)劑的質量分數為：第一單體為200-800質量份；第二單體為200-800質量份；交聯(lián)劑為30-50質量份；光引發(fā)劑為50-120質量份。

18、根據該優(yōu)選技術方案，控制第一單體和第二單體的比例，可以使得水凝膠微球中第一單體和第二單體能夠在引發(fā)劑的作用下，在交聯(lián)劑的促進下可以形成尺寸可控的，具有相互連接、緊密排列的均勻聚合物網絡結構的水凝膠微球，使得水凝膠微球具有較優(yōu)異的促進冰核形成的性能。

19、作為本發(fā)明優(yōu)選的技術方案，在所述第一溶液制備步驟中，還包括：

20、調節(jié)第一溶液的ph<7。

21、根據該優(yōu)選技術方案，在酸性環(huán)境中更利于第一單體和第二單體發(fā)射光引發(fā)聚合反應，快速且均勻地形成聚合物網絡結構。

22、作為本發(fā)明優(yōu)選的技術方案，在固化步驟之后，還包括：

23、清洗步驟，先用水浸泡水凝膠微球，然后再將水凝膠微球浸泡在環(huán)己烷中。

24、根據該優(yōu)選技術方案，一方面，水的反復沖洗可以盡可能將未反應的第一單體或第二單體洗涮干凈；另一方面，環(huán)己烷能夠置換掉水凝膠中的水，而影響整體材料的防冰效果。

25、本發(fā)明的第二方面提供了一種水凝膠微球，由如上述任一項技術方案中的水凝膠微球的制備方法制備得到。

26、本發(fā)明的第三方面提供了一種防冰涂層，該防冰涂層包括上述技術方案中提供的水凝膠微球。

技術特征：

1.一種水凝膠微球的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：

2.如權利要求1所述的水凝膠微球的制備方法，其特征在于，在所述混合步驟中，所述第一溶液和所述第二溶液的流速之比為1:1-5:1。

3.如權利要求1所述的水凝膠微球的制備方法，其特征在于，在所述第二溶液制備步驟中，所述表面活性劑在所述油性溶劑中的濃度為1-10wt％。

4.如權利要求1所述的水凝膠微球的制備方法，其特征在于，所述第一單體為甲基丙烯酰胺；所述第二單體為甲基丙烯酸。

5.如權利要求4所述的水凝膠微球的制備方法，其特征在于，所述交聯(lián)劑選自二甲基丙烯酰胺、n,n'-亞甲基雙丙烯酰胺和戊二醛中的一種或多種組合，所述引發(fā)劑選自過硫酸銨、過硫酸鉀和過硫酸鈉中的至少一種。

6.如權利要求5所述的水凝膠微球的制備方法，其特征在于，所述水凝膠微球中的所述第一單體、所述第二單體、所述交聯(lián)劑和所述光引發(fā)劑的質量分數為：

7.如權利要求1所述的水凝膠微球的制備方法，其特征在于，在所述第一溶液制備步驟中，還包括：

8.如權利要求1所述的水凝膠微球的制備方法，其特征在于，在所述固化步驟之后，還包括：

9.一種水凝膠微球，其特征在于，由如權利要求1-8任一項所述的水凝膠微球的制備方法制備得到。

10.一種防冰涂層，其特征在于，包括如權利要求9所述的水凝膠微球。

技術總結
本發(fā)明涉及防冰技術領域，提供了一種促進冰成核的水凝膠微球、水凝膠微球的制備方法及防冰涂層，能夠解決現有專利中的冰成核材料存在的至少部分問題。水凝膠微球的制備方法包括如下步驟：第一溶液制備步驟，將具有稀烯酰胺基團的第一單體和具有烯酸基團第二單體分別稱取然后溶解在水中，依次加入適量的交聯(lián)劑和光引發(fā)劑，得到所述第一溶液。第二溶液制備步驟，在油性溶劑中加入表面活性劑，得到所述第二溶液?；旌喜襟E，將所述第一溶液和所述第二溶液以不同的流速向管道內同時釋放，得到混合溶液。固化步驟，將所述混合溶液放在紫外燈箱中固化，得到所述水凝膠微球。

技術研發(fā)人員：賀志遠,王雪偉,程蕊,高沖,黃巖,趙陽,房紅玲
受保護的技術使用者：北京理工大學
技術研發(fā)日：
技術公布日：2024/10/21