CN1632014A - 一种亲水性防霜涂料 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种亲水性防霜涂料，可应用于家用冰箱、大型冷库及其他制冷设备中，属于低温、制冷领域。其亲水性防霜涂料特征在于包含20～60份(质量)以丙烯酸盐、丙烯酰胺及甲基丙烯酸酯为亲水单体的任一种或任一组合共聚物的高吸水树脂，30～60份(质量)以醇酸、环氧、丙烯酸、酚醛树脂中的任一种为基料的涂料，30～50份(质量)的丙三醇，这种防霜涂料的主要特征在于将高吸水树脂与丙三醇结合。采用本发明中的防霜涂料在空气湿度较低(＜50％)、壁面温度相对较高(＞－10℃)的情况下，至少可以将初始霜晶出现的时间延迟3小时以上，结霜量减少在50％左右，在一定条件下还可以保持不结霜，并且反复使用性能好。

Description

一种亲水性防霜涂料

技术领域

本发明涉及一种亲水性防霜涂料，可应用于家用冰箱、大型冷库及其他制冷设备中，属于低温、制冷领域。

背景技术

结霜现象在自然界及低温领域中普遍存在，结霜有许多危害，尤其是在制冷设备中，霜层对换热面来说是一隔热层，大大降低了传热效率。在冰箱及大型冷库中，由于霜层覆盖了壁面，随着霜层的增厚，霜表面温度会逐渐升高，因而设备达不到设定的温度而使物品变质。目前所采用的除霜方法都是基于“融霜”的思路，即当霜层结到一定厚度时就要进行除霜，有电加热法、有规律的关闭系统等方法，但这些方法都是以消耗宝贵的能量为代价的，所以人们进行了各种防霜涂料的研究，试图通过在冷壁表面涂一层防霜涂料来防止结霜，以达到节约能源的目的。

目前，通过采用在冷壁表面涂涂料来抑制结霜的机理有以下两种：一、使冷壁表面呈现出疏水性，使壁面接触角增大；二、使冷壁表面呈现出亲水性。第一种方法可使在结霜初期形成的水珠与壁面接触角增大，接触面积减小，从而水珠冻结的慢，初始霜晶形成晚，但随着壁温的降低，霜一旦形成，疏水表面便失去作用。第二种方法主要是通过采用吸水性聚合物的吸水性质，吸取结霜初期形成的水珠来防霜，但往往不能重复使用，且涂层的有效成分易挥发。目前出现的一些亲水性防霜涂料只能满足防止自然界中的结霜现象，而对低温下的结霜则失去作用。针对低温设备中的结霜而研制的防霜涂料还存在着许多缺点，例如，有人采用在高聚物中加乙二醇来抑制结霜，这种涂料虽然得到了一定的防霜效果，但很容易挥发，经过三次实验便失去作用，还有人直接将浓的丙三醇溶液涂到冷壁表面，水蒸气不断凝结于浓的丙三醇溶液中，达到了短时间内不结霜的效果，但丙三醇溶液与壁面的附着能力差，很快就会被主流空气带走或霜层融化后被冲刷掉。就目前报道过的效果最好的防霜涂料可使结霜量减少在30％以内，所以现有低温下防止结霜的涂料主要有以下缺点：防霜效果差，有机涂料中的防霜成分易挥发，使用周期短。

发明内容

本发明的目的在于提供一种应用在制冷设备中的防霜效果明显，不易挥发且反复使用性能好的防霜涂料。

本发明所研制的防霜涂料呈现亲水性，其特征在于包含20～60份(质量)以丙烯酸盐、丙烯酰胺及甲基丙烯酸酯为亲水单体的任一种或任一组合共聚物的高吸水树脂，30～60份(质量)以醇酸、环氧、丙烯酸、酚醛树脂中的任一种为基料的清漆，30～50份(质量)的丙三醇。这种防霜涂料的主要特征在于将高吸水树脂与丙三醇结合，高吸水树脂和丙三醇的量越多，防霜效果越好，但涂层的膨胀性会相应增大，附着力会相应下降。在制作过程中还可以在混合液中加入相应的溶剂和助剂，溶剂起到稀释的作用，便于涂覆，但溶液越稀，防霜效果会越差，助剂的作用是加快涂层的干燥速度。

涂覆时，可采用常规的涂覆方法，例如喷涂、刷涂、流动涂覆等。

本发明的亲水性防霜涂料之所以具有防霜功能是因为：其中含有的高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，使其可以吸收大量的水。丙三醇可与高吸水树脂和所采用的醇酸、环氧、丙烯酸、酚醛树脂类涂料互溶，不易挥发，而且丙三醇可以吸湿，更重要的是丙三醇是有效的防冻剂，冰点在0℃以下，并且含水量的多少会明显影响其冰点，含水50％时，冰点为-23℃，含水66.7％时，冰点在-46.5℃，所以采用这种防霜涂料可使结霜初期吸收的水分保持在冰点以下一定范围的温度内不冻结，因而涂层可以大大延迟初始霜晶的形成。

本发明的亲水性防霜涂料经测试，结果表明在一定的温度湿度下，可使结霜时间延迟3小时以上，结霜量平均减少40％以上。在壁面温度＞-10℃，相对湿度＜50％的条件下实际上可以实现在冷壁面上不结霜，且反复使用性好。上面的结果具有巨大的应用背景：在北方寒冷的冬天，空调机做制热运行时，室外机(蒸发器)很容易结霜，造成蒸发器堵塞，换热效率迅速降低，致使空调机不能正常运行。这是北方冬天普通空调机不能制热运行的根本原因。在北方寒冷的冬天，空气的相对湿度一般都比较小(不超过50％)，所以将该涂料涂于空调室外机换热表面上，必然可以有效抑制霜的生成，从而保证空调机在寒冷的冬天也能正常运行。

附图说明：

图1实施例2中左侧涂有防霜涂料的紫铜板在环境温度(T_∞)为15℃，冷壁温度(T_w)为-8.2℃，相对湿度()为40％条件下360分钟结霜对比照片。

图2在不同的实验条件下亲水涂层表面与紫铜表面霜层厚度的对比情况。

(a)T_∞＝16.4℃，T_w＝-8.8℃，＝30％

(b)T_∞＝16.6℃，T_w＝-15.3℃，＝30％

(c)T_∞＝21℃，T_w＝-19.5℃，＝34.5％

(d)T_∞＝15.4℃，T_w＝-8.2℃，＝57％

图3左侧涂层的霜表面温度与紫铜表面霜表面温度在不同时间下的对比情况。

(a)结霜30分钟(b)结霜60分钟

图4在＝50％，T_w＝-9.3℃条件下，不同天数结霜60分钟时的反映涂层重复使用性能的结霜照片。

(a)15天(b)40天(c)55天

具体实施方式：

实施例1：

防霜涂料的制作步骤如下：

1、高吸水树脂的制作：

高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，产物经研磨得到高吸水树脂。

2、防霜涂料的制作：称量高吸水树脂20克，环氧清漆60克，40克丙三醇，助剂二乙烯三胺20克混合后，充分搅拌，用刷子将部分混合液涂附到厚度为6mm的紫铜板左侧表面上，测量涂层厚度为0.3mm。

3、防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，利用NEC公司的TH5102热像仪来测量霜表面的温度。

②霜厚测量结果：

附图2为相对湿度保持在30％～50％时不同壁温下有涂层和没有涂层的紫铜表面上霜层厚度的测量对比结果。图2(a)中的结果表明，在相对湿度为30％左右时，冷壁温度在-8.8℃时，2小时内涂层表面没有结霜，而紫铜表面霜厚达0.74mm；图2(b)中的结果表明，冷壁温度在-15.3℃时，涂层表面仍然没有结霜，紫铜表面的霜厚为1.45mm；冷壁温度低至-19.5℃时，参见图2(c)，涂层表面在测试50分钟之后才开始结霜，霜厚在2小时时仅为1.05mm，而紫铜表面的霜厚已经厚达2.35mm。图2(d)中的相对湿度较大为57％，冷壁温度在-8.2℃，结果表明，2小时内涂层表面没有结霜，而紫铜表面霜厚达2.3mm；

③结霜量测量结果：根据实验结果计算得出采用这种防霜涂料在湿度大于50％，壁温低于-10℃的情况下可使结霜量减少34％～41％，在空气相对湿度小于50％，壁面温度大于-10℃时，结霜量的减少大于55％，初始霜晶的出现大于3个小时。

以上结果表明，所采用的防霜涂料有效的抑制了霜的形成，在壁温＞-10℃，相对湿度＜50％的条件下的抑霜效果尤其明显。

④表面温度测量结果：

防霜的目的除了使霜厚减薄，防止蒸发器等设备的流道被霜层阻塞，更重要的是防止厚厚的霜层带来的冷壁表面温度的大幅度升高，得到更接近预设的温度。由于涂层具有热阻，所以在制冷的初始阶段会使有涂层的表面温度高于没加涂层的，但在覆盖霜层之后经测试，有涂层的表面温度低于没有涂层的，所以这种防霜涂料达到了防霜的最根本目的。附图3为在T_∞＝26.0℃，T_w＝-18.3℃，＝60％的条件下，采用TH5102热像仪测量的涂层侧与没有涂层侧的霜表面温度对比结果，可以明显看出壁面左半部分(涂有防霜涂料部分)的霜表面温度明显要低于右侧霜层的表面温度(没有涂防霜涂料的部分)，而且左侧温度分布曲线起伏较大，这是因为左侧表面初始霜晶出现晚，结霜量少，而且霜晶稀疏，出现霜晶位置的表面温度要高于没有霜晶的。

④重复使用性能测试结果：通过两个月的重复性实验，发现涂层仍旧能保持良好的防霜作用，持久性较好(参见图4(a)、(b)、(c))。

实施例2：

高吸水树脂的组成成分见表1，制作过程同实施例1。称量高吸水树脂30克，环氧清漆60克，45克丙三醇混合后，充分搅拌，用刷子将部分混合液涂附到厚度为6mm的紫铜板左侧表面上，测量涂层厚度为0.8mm。实际测试表明，在冷壁面温度不低于-10℃，空气相对湿度不超过50％的范围内，经过10小时的实际运行，在冷壁面上均没有发现有明显的霜晶生成。附图1为采用该防霜涂料的一次实验中制冷6小时所拍摄的照片。该实施例说明，所发明的涂料可以用于北方寒冷冬季空调室外机的防霜处理。

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，。

在试验中测得，在空气湿度较低(＜50％)、壁面温度相对较高(＞-10℃)的情况下，可以将初始霜晶出现的时间至少延迟3小时，结霜量减少在55％以上。实验中，测量时间最长为10小时，表1中的“平均结霜延迟时间”和“平均结霜量的减少”，是在空气湿度＜50％、壁面温度＞-10℃的情况下的平均值。

表1(单位：g)

		实施例1	实施例2	实施例3	实施例4	实施例5
							高吸水树脂的组分	水	160	145	120	130	125
氢氧化钾	20	50	15	30	30
						氢氧化钠		5	0	10	3	3
丙烯酸	49	90	55	70	70
						N，N’-亚甲基双丙烯酰胺		0.002	0.002	0.04	0.02	0
甲基丙烯酸羟丙酯	7	0	8	10	10
						丙烯酰胺		10	12	0	15	15
过硫酸铵	0.04	0.05	0.03	0.02	0.02
						亚硫酸氢钠0.05		0.05	0.05	0.05	0.05	0.05
甲基丙烯酸羟乙酯	0	0	0	0	0.02
						聚合温度		60℃	60℃	60℃	60℃	60℃

	聚合时间	6小时	5小时	4.5小时	4.5小时	4.5小时
							称取高吸水树脂质量		20	30	60	25	50
涂料		环氧清漆，60	醇酸清漆，60	丙烯酸清漆，60	酚醛清漆，50	醇酸清漆，50
							丙三醇		40	45	50	30	50
溶剂		环己酮，20	200#汽油，20	丙二醇丁醚，80	乙酸丁酯，30	丁酮，60
							助剂		二乙烯三胺，20	无	无	无	无
涂层厚度(mm)		0.3	0.8	0.3	0.4	0.6
							平均延迟结霜时间(min)		465	600	370	400	545
平均结霜量减少		72％	100％	58％	68％	80％

Claims (1)

1.一种亲水性防霜涂料，其特征在于包含20～60份(质量)以丙烯酸盐、丙烯酰胺及甲基丙烯酸酯为亲水单体的任一种或任一组合共聚物的高吸水树脂，30～60份(质量)以醇酸、环氧、丙烯酸、酚醛树脂中的任一种为基料的清漆，30～50份(质量)的丙三醇。

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