专利名称：强吸水性抑霜涂料的制作方法
技术领域：
一种强吸水性抑霜涂料，属于制冷节能的技术领域。
背景技术：
结霜是自然界中普遍存在的一种自然现象，当某表面温度低于空气中水蒸气的露点温度时，结霜现象就有可能发生。这一现象的存在给实际的生产生活带来很多的不便，并且融霜的过程还会耗费大量的能量，因此探索各种抑霜方法非常必要。其中改变换热器表面的性状涂以亲水性涂料就是其中一种有效的抑霜方法。
亲水涂料的抑霜机理目前仍处于具体的探索之中，但普遍认为是由于亲水涂料含有强吸水性物质，能够在结霜初期把凝结在冷板表面上的水珠吸附到由涂料制成的亲水涂层内部，因而延缓了初始霜晶的形成。
在国外Okoroafor等人在1999年研制出了一种亲水性抑霜涂料，该涂料两小时内可以降低霜的厚度达10～30％，但是制成的涂层较厚，约为0.7mm，实际换热器表面上涂以这种厚度的涂层会影响到空气的流通，造成不必要的阻力损失。同时涂料中的有机成分易挥发，涂料使用寿命低。
在国内2004年本申请人也研制了一种亲水性的防霜涂料，申请的专利号为200410101254.9，公开号为CN1632014，
公开日期为2005年6月29日。这种涂料的抑霜效果比以前有所改善，在低湿度35％冷面温度＜-10℃的条件下可以延迟霜晶的形成达三个小时以上。但其也存在一定的弊端，就是在环境湿度较高的情况下抑霜效果并不明显。当环境湿度在55％以上时，亲水涂层的冷表面一般在制冷实验进行25分钟左右就出现了初始霜晶，而且涂层厚度也不理想，一般都在0.3mm以上，涂层过厚会增大换热器热阻，降低传热效率，另外涂层表面比较柔软，抗冲击能力差。因此该亲水涂料就其成膜的厚度、表面硬度、高湿度条件下的抑霜效果等方面还有待改善。
发明内容
本发明的目的就是针对前目前涂料所存在的这些问题，提供了一种成膜更薄，抗压抗冲击能力更强，在高湿度≥50％的情况下抑霜效果更加明显的强吸水性抑霜涂料。
一种强吸水性抑霜涂料，其特征在于含有质量成分20～40份的聚丙烯酸吸水树脂，40～60份的金属烤漆黏附剂，20～40份的氯化钠或氯化钾晶体颗粒以及20～30份的溶剂，吸水树脂、氯化钠或氯化钾颗粒的粒径在0.025mm以下。
所述的金属黏附剂采用的是以丙烯酸树脂、氨基醇酸树脂或聚氨酯中的任一种为主配的金属烤漆。
所述的溶剂使用的是环己酮、汽油、丙二醇丁醚、乙酸丁酯、丁酮中的任一种。
本发明一种强吸水性抑霜涂料，它还可以含有质量成分10～20份的助剂二乙烯三胺，该助剂的作用是加快制备的涂层的干燥速度。
利用本发明制备涂层时，可采用常规的涂覆方法，例如喷涂、刷涂、流动涂覆等。亲水涂料喷涂于金属表面之后采用自然干燥的方式，于通风处晾干24小时以上。不能采用一般金属烤漆的高温烘烤方法，否则吸水树脂将变性。
本发明强吸水性抑霜涂料之所以具有抑霜功能，是因为涂料中的吸水性树脂的分子中含有极性集团，并具有一定的交联度，是一种三维空间网络结构，这种特殊的化学结构和网状结构，使其具有能大量吸收水分的功能。而涂料中添加的氯化钠或氯化钾颗粒具有非常有效的降低水的冰点的作用，所以被吸水树脂吸收到涂料内部的水分在其作用下可以长时间保持不被冻结的状态，通常的霜晶都是在被冻结的水珠上才能形成，因而抑制了初始霜晶的出现，起到了抑霜的作用。
本发明和本申请人在2004年申请的专利号为2004101012549的亲水涂料(以下的对比中‘原涂料’均指该专利中的亲水涂料)的区别在于用金属烤漆来代替原亲水涂料中的清漆作为黏附剂，替代的结果是使得涂层的厚度减薄，由原来的0.3mm降低到了现在的0.06mm，并且金属烤漆和金属表面结合得牢固性要远远大于清漆和金属表面结合得牢固性。同时涂料中使用了降低水的冰点效果更为明显的氯化钠或氯化钾物质，取代原涂料中的丙三醇。原因在于以前使用的丙三醇降低冰点的能效低，要达到相同的冰点值所需的配比量大，成本增加。另外丙三醇在常温下处于液体状态，并不能完全溶于烤漆中，添加于涂料中会降低烤漆与金属表面的结合强度，导致以往的涂层表面较柔软，抗冲击能力差，一般抗冲击强度＜30kg·cm/cm2。使用了金属烤漆和氯化钠或氯化钾之后的涂料，表面抗冲击能力增强，抗冲击强度达到50kg·cm/cm2以上，同时抑霜效果也得到了明显的改善，尤其体现在高湿度、低壁温的情况下。例如当环境湿度大于55％，冷面温度低于-10℃以下时，原涂料最多只能延迟冷面上初始霜晶的出现在25分钟左右，而这种新型涂料能延迟霜晶的出现在两个小时以上，高湿度、低壁温的环境条件下抑霜效果相当明显。
图1实施例1中本发明强吸水性抑霜涂料制成的亲水表面在环境温度T∞＝19.6℃，冷面温度Tw＝-15.7℃，环境湿度φ＝56％的实验条件下与裸铜表面上形成的霜晶的对比照片，照片左侧为亲水涂层表面，右侧为裸铜表面；(a)实验30分钟；(b)实验60分钟；(c)实验180分钟；图2与图1近似相同的实验条件下T∞＝19.8℃，Tw＝-15.6℃，φ＝54％，原涂料制成的亲水表面与裸铜表面在实验不同时间下表面结霜情况的对比照片，左侧为亲水涂层表面，右侧为裸铜表面；(a)实验30分钟；(b)实验60分钟；(c)实验120分钟；图3本发明强吸水性抑霜涂料制成的亲水表面与裸铜面在实验条件为T∞＝19.6℃，Tw＝-15.7℃，φ＝56％下的霜高比较；图4原涂料制成的亲水表面与裸铜面在与图3实验条件近似的情况下T∞＝19.8℃，Tw＝-15.6℃，φ＝54％下的霜高比较；图5本发明强吸水性抑霜涂料制成的亲水表面与裸铜面在实验条件为T∞＝20.5℃，Tw＝-15.5℃，φ＝76％下霜高的比较；图6原涂料制成的亲水表面与裸铜面在与图5实验条件近似的情况下T∞＝19.8℃，Tw＝-15.6℃，φ＝73％下霜高的比较；图7冰箱内壁涂以本发明强吸水性抑霜涂料和内壁裸面在冰箱运行六个月后结霜量的对比情况。左侧为亲水表面，右侧为冰箱内壁裸面，环境条件为T∞＝-30.6℃，Tw＝-34.0℃，φ＝80％。
具体实施例方式实施例1
防霜涂料的制作步骤如下1、吸水树脂的制作(参考现有吸水树脂制作的一般工艺过程)吸水树脂组成按质量比如下丙烯酸49，丙烯酰胺10，水160，氢氧化钾20，氢氧化钠5，甲基丙烯酸羟丙酯7，N，N’-亚甲基双丙烯酰胺0.002，引发剂(过硫酸铵)0.04，亚硫酸氢钠0.05。
按照上述配方在带有回流冷凝器、滴液漏斗氮气导管的反应器中加入水及氢氧化钾和氢氧化钠，在通入氮气的条件下加入丙烯酸和N，N’-亚甲基双丙烯酰胺，边搅拌边加入甲基丙烯酸羟丙酯，保持温度在40℃。加入丙烯酰胺，分4次加入过硫酸铵引发剂和亚硫酸氢钠。加热至60℃下静置6小时进行聚合反应。聚合反应后的混合物由白色混浊凝胶状变成透明的凝胶，冷却真空脱水后再真空干燥，产物经研磨得到粒径在0.025mm以下的吸水树脂。其性能类似于德国Degussa公司生产的Stockosorb 500Powder粉末系列聚丙烯酸树脂。
2、强吸水抑霜涂料的制作称量粒径在0.025mm以下的吸水树脂5克，氨基醇酸烤漆15克，粒径在0.025mm以下的5克氯化钠，环乙酮10克，助剂二乙烯三胺7.5克混合后，充分搅拌，用喷枪将混合液喷涂到厚度为6mm的紫铜板左侧表面上，测量涂层厚度为0.06mm，于通风处晾干约24小时后即可以使用。
3、强吸水抑霜涂料的效果测试如下(1)测试设备冷却装置采用半导体温差电制冷器制冷，涂有防霜涂料的紫铜板与半导体冷台采用公知的手段紧密结合，采用铜-康铜热电偶接HP数据采集仪测量紫铜表面的温度，利用显微镜、摄像镜头、CCD、图象采集卡、计算机、显微测量软件组成的显微系统进行霜厚测量。
(2)高湿度低壁温环境下涂有本发明强吸水性抑霜涂料的表面与涂有原涂料的表面抑霜效果的对比实验条件为环境温度T∞＝19.8℃，冷面温度Tw＝-15.7℃，环境湿度φ＝56％；实验不同时刻涂有本发明强吸水抑霜涂料的表面与裸铜板表面结霜的不同情况如图1中照片a、b、c所示。从图中可以明显看出，左侧涂有本发明强吸水性抑霜涂料的表面实验三个小时后表面没有任何霜晶生长，而右侧裸铜表面上实验开始仅1分钟内就有霜晶出现实验30分钟后表面已布满了霜晶，三个小时过后，表面已形成了一层厚达4.07mm且密实的霜层；实验不同时刻涂有原涂料的表面与裸铜板表面结霜的不同情况如图2中照片a、b、c所示。从图中可以看出，左侧涂有原涂料的表面在实验最初具有一定的抑霜作用，前20分钟表面基本没有霜晶出现，但实验25分钟时，表面已开始出现霜晶，60分钟时，霜晶已覆盖了亲水表面的大部分面积，实验两个小时后，亲水表面与右侧的裸铜表面上的霜晶基本上没什么区别，霜晶都已比较密实。
从图1和图2的照片对比情况可以看出，本发明的亲水涂料要比原亲水涂料的抑霜效果有明显的改善，原涂料只能延迟霜晶的出现在25分钟左右，而新亲水涂料可以保证表面三个小时以上不结霜；(3)霜高的测量结果对比图3为涂有本发明强吸水性抑霜涂料的表面与裸铜面在实验条件为T∞＝19.6℃，Tw＝-15.7℃，φ＝56％下的霜高比较图，从图中可以看出，涂有本发明强吸水性抑霜涂料的表面在三个小时内没有霜晶出现，霜高一直为零，而裸铜面上实验三个小时后霜高已达4mm以上；图4为涂有原涂料的表面与裸铜面在与图3实验条件近似的情况下T∞＝19.8℃，Tw＝-15.6℃，φ＝54％下的霜高比较图，从图中可以看出涂有原涂料的表面在实验进行到30分钟时表面霜高已达0.2mm，60分钟时霜高已达1mm，两小时后霜高已接近2mm，虽然比右侧裸铜表面上霜薄(两小时后裸铜面上霜高已达3.2mm)，但亲水表面上2mm的霜厚也同样会增大表面热阻，降低表面的传热效率，阻碍空气的流动，增加能耗。
而对比图1和图3，涂有本发明强吸水性抑霜涂料的表面三小时内不结霜，表面热阻不会随着霜层的生长而增大，所以减少了系统能量的损耗；图5为涂有本发明强吸水性抑霜涂料的表面与裸铜面在实验条件为T∞＝20.5℃，Tw＝-15.5℃，φ＝76％下霜高的比较，虽然环境湿度很高已达70％以上，但是从图中可以看出，该涂料仍然具有明显的抑霜效果，仍然可以保证三个小时以上不结霜，而裸铜表面在这种实验条件下三小时后霜高已达5mm以上；图6为涂有原涂料的表面与裸铜面在与图5实验条件近似的情况下T∞＝19.8℃，Tw＝-15.6℃，φ＝73％下霜高的比较，从图中可以看出，由于环境湿度高，涂有原涂料的表面在实验进行到30分钟时表面霜高已达0.5mm，60分钟时霜高已达1.4mm，两小时后霜高已达2.3mm，而裸铜面上霜高则以达3.8mm。
比较图3和图4、图5和图6可知涂有本发明强吸水性抑霜涂料的表面在环境湿度50％＜φ＜75％，冷面温度-20℃＜Tw＜-15℃的情况下均可以保证三个小时不结霜，而涂有原涂料的表面在这样的条件下，两个小时之内霜高就已达2mm以上，而裸铜面上的霜高已达3mm以上。
实施例2吸水树脂的组成成分见表1，制作过程同实施例1。称量吸水树脂20克，聚安酯烤漆40克，氯化钙30克，200#汽油30克，混合后充分搅拌，用喷枪将混合液喷涂于冰箱内壁。图7为涂有本发明强吸水性抑霜涂料的冰箱内壁表面和未涂任何涂料的内壁裸面在冰箱运行六个月后结霜量的对比情况。左侧为亲水表面，右侧为冰箱内壁裸面，环境条件为T∞＝-30.6℃，Tw＝-34.0℃，φ＝80％。从图中可以看到，右侧冰箱的内壁裸面上已结了很厚的一层霜，而左侧亲水表面的下部几乎没有结霜，只在涂层表面的上部有很稀薄的霜晶分布。
实施例3，4，5表1中分别列出了实施例3，4，5中防霜涂料的组分，其中高吸水树脂和防霜涂料的制作过程和测试设备同实施例1，表1中同时列出了实施例1，2的组分及5个实施例的测试效果，。
在实验中测得，当空气湿度＜75％、壁面温度＞-20℃、环境温度在20℃的情况下，涂有本发明强吸水性抑霜涂料的表面可以将初始霜晶出现的时间至少延迟3小时以上，抑霜效果相当明显，如表中实施例1、3、4及5。另外强吸水抑霜涂料抑霜实验测量时间最长为六个月，以实际运行的冰箱内部为实验环境，在冰箱内壁上覆涂1.0mm厚度的本发明强吸水性抑霜涂料，发现该涂料能明显减少冰箱内壁的结霜量，如图7所示。
表1(单位g)
本发明强吸水性抑霜涂料可以应用于各种制冷表面，例如冰箱内壁，冷库，空调冷凝器表面，以及夜间飞行的飞机表面等。该涂料成本低，成膜薄，牢固性好，高湿度低壁温环境下抑霜效果明显，所以应用前景非常广阔。
权利要求
1.一种强吸水性抑霜涂料，其特征在于含有质量成分20～40份的聚丙烯酸吸水树脂，40～60份的金属烤漆黏附剂，20～40份的氯化钠或氯化钾晶体颗粒以及20～30份的溶剂，其中，吸水树脂、氯化钠或氯化钾颗粒的粒径在0.025mm以下。
2.根据权利要求1所述的一种强吸水性抑霜涂料，其特征在于所述的金属烤漆黏附剂采用的是以丙烯酸树脂、氨基醇酸树脂或聚氨酯中的任一种为主配的金属烤漆。
3.根据权利要求1所述的一种强吸水性抑霜涂料，其特征在于所述的溶剂使用的是环己酮、汽油、丙二醇丁醚、乙酸丁酯、丁酮中的任一种。
4.根据权利要求1所述的一种强吸水性抑霜涂料，其特征在于还可以含有质量成分10～20份的助剂二乙烯三胺。
全文摘要
一种强吸水性抑霜涂料，属于制冷节能的技术领域。利用目前存在的亲水性抑霜涂料制成的涂层在厚度、表面硬度、高湿度条件下的抑霜效果等方面还有待改善。本发明一种强吸水性抑霜涂料，其特征在于包含20～40质量份的聚丙烯酸系列的吸水树脂，40～60质量份的以丙烯酸树脂、氨基醇酸树脂或聚氨酯三者中的任一种为主配的金属烤漆，20～40质量份的氯化钠或氯化钾晶体颗粒以及20～40质量份的溶剂，溶剂可以是环己酮、汽油、丙二醇丁醚、乙酸丁酯、丁酮中的任一种。利用本发明制备的抑霜涂层成膜薄，厚度为0.06mm，抗压抗冲击能力大于50kg·cm/cm
文档编号C09D5/16GK1916094SQ200610112808
公开日2007年2月21日 申请日期2006年9月4日 优先权日2006年9月4日
发明者刘中良, 勾昱君, 孟声, 王洪燕, 王皆腾 申请人:北京工业大学