CA 02929027 2016-05-04 具有弹性纤维和排列的碳同素异形体材料的除冰靴 背景 [0001] 飞行期间飞机机翼和其他飞机结构上的冰积聚是一个已知问题。 在飞行过程中使用了多种技术来去除飞机上的冰,包括化学除冰(将化学物质应用于飞机结构以降低冰的附着力或降低飞机上聚集的水的冰点)、热除冰(主动加热飞机结构以 防止结冰或疏松积冰)和气动除冰(使用充气元件扩大飞机结构的轮廓以破裂积冰)。 [0002] 一些现有技术的气动除冰器(有时称为除冰靴)采用位于天然橡胶内层之上的氯丁橡胶或聚酯聚氨酯外层,其连接到飞机结构。 充气管位于内层和飞机结构之间。 充气管充气导致外层和内层的部分远离飞机结构。 这种运动使外层变形,使得积聚在外层上的冰破裂并从外层脱落。 氯丁橡胶和聚酯聚氨酯外层通常具有足够的韧性、抗风沙侵蚀性以及对燃料和油的耐化学性,但在低温下一般不会很好地回缩。 天然橡胶内层用于提高外层的弹性和回缩性。 本公开描述了用于除冰靴的改进组合物。 概括 [0003] 除冰靴包括飞行器结构和外层。 外层包括多个弹性体纤维和碳同素异形体材料。 碳同素异形体材料与属于多根弹性体纤维的至少一根弹性体纤维对齐。 [0004] 一种形成一层除冰靴的方法包括将第一弹性体纤维与碳同素异形体材料对齐,将第一弹性体纤维与多个 CA 02929027 2016-05-04 添加弹性体纤维以形成无纺纤维织物,并将无纺纤维织物并入片材中。 100051 除冰靴包括飞机结构和外层。 外层包括多个弹性体纤维和铝片。 铝薄片与属于多根弹性体纤维的至少一根弹性体纤维对齐。 附图说明 [00061] 图 1 是处于膨胀状态的气动除冰器的透视图。 [00071 图 2 是通过静电纺丝形成的纳米纤维的示意图,其中包含对齐的碳同素异形体材料。 [0008] 图3为具有疏冰材料的无纺静电纺纤维织物的示意图。 [00091图4是包含疏冰材料的弹性体支架的示意图。 [00101图5是非织造电纺纤维织物和银色聚氨酯弹性体的示意图。 详细描述 [00111] 本公开描述了与目前使用的氯丁橡胶和聚氨酯除冰靴相比具有改进的弹性和机械强度的弹性体除冰靴。 100121 图1图示了根据本公开的具有除冰罩的飞行器部件。 如图1所示,飞行器部件10是机翼。 然而,飞行器部件10也可以是整流罩、支柱或任何其他暴露在外的飞行器结构,它们可以在飞行器运行期间积聚冰。 除冰罩12包括外层14、内层16、构架层18和粘合层20。 [0013] 外层 14 位于飞行器部件 10 的外表面(或风侧)。外层 14 的组成在下文更详细地描述。 内 CA 02929027 2016-05-04 层16位于外层14和飞行器结构10之间。根据现有技术,内层16为外层14的回缩提供支撑。内层16通常包含天然橡胶。 根据本公开,内层16可以如图1所示存在。或者,外层14的组成允许完全省略内层16。 胎体层18位于内层16和飞行器结构10之间。胎体层18包括充气管22。充气管22与位于飞行器(未示出)上的气源连通。 当来自空气供应的空气被输送到充气管 22 时,充气管 22 膨胀导致骨架层 18、内层 16 和外层 14 远离飞行器结构 10。图 1 显示外层 14 处于膨胀状态(即膨胀 管 22 被加压)。 该运动导致外层 14 上积聚的冰破裂并从外层 14 上移除。美国专利第 6,520,452 号提供了除冰靴的详细描述。 [0014] 在现有技术的除冰靴中,外层通常包含氯丁橡胶或聚酯聚氨酯,而内层通常是天然橡胶。 氯丁橡胶或聚酯聚氨酯弹性体层提供耐腐蚀和耐化学性,但在低温下弹性相对较差。 天然橡胶层提供了外层所需的弹性,一旦充气管放气,它就会缩回并重新形成飞机结构。 可以将碳材料(例如炭黑)添加到现有技术的弹性体层中以提高导电性并降低静电放电的可能性并提供额外的强度。 然而,碳材料通常以无序方式(即简单混合)添加到弹性体中。 这导致碳材料在整个弹性体层中随机分布。 根据本公开,外层 14 具有必要的强度、抗侵蚀性和弹性,以消除对现有技术除冰靴中使用的天然橡胶层的需要,并产生与包含随机分布的碳的弹性体相比具有优势的防风层 黑色的。 [0015] 在本公开的一些实施例中,外层14是包括多根弹性体纤维的非织造纤维织物片。 合适的弹性体纤维包括氯丁橡胶、聚氨酯、天然橡胶和用于形成除冰靴外层的任何其他弹性体。 弹性体纤维可以是纳米纤维(直径小于 1000 纳米)或 CA 02929027 2016-05-04 微纤维(直径小于丝线)或纳米纤维和微纤维的混合物。 外层14的非织造纤维织物片还包括与多根弹性体纤维中的一根或多根对齐的碳同素异形体材料。 碳同素异形体材料与弹性体纤维对齐,使其包含在弹性体纤维的内部或表面上。 合适的碳同素异形体材料包括碳纳米管、石墨烯、石墨和炭黑。 碳纳米管可以是单壁碳纳米管或多壁碳纳米管。 通过将弹性体纤维与碳同素异形体材料对齐,外层14的非织造纤维织物与以无序方式简单地与碳材料混合的弹性体纤维相比得到加强。 [10016]在本公开的一个实施例中,弹性体纤维和碳同素异形体材料通过静电纺丝弹性体纤维与碳同素异形体材料对齐。 静电纺丝利用电荷从聚合物溶液中拉出非常细的纤维。 当向液滴施加足够高的电压时,液体会带电,静电排斥会抵消液滴的表面张力,从而导致液滴拉伸。 一旦达到临界点,液滴表面就会喷出一股液体。 在液体的分子内聚力足够高的情况下,形成带电液体射流。 由于在纤维的小弯曲处启动的静电排斥,射流被拉长并沉积在接地的收集器上。 射流在飞行中干燥,由于静电排斥引起的弯曲不稳定性导致纤维伸长和变细,从而导致均匀的纤维。 聚合物(例如,聚氨酯)溶液可以包括碳同素异形体材料,使得当溶液被静电纺丝时,碳同素异形体材料包含在所得电纺纤维内。 [0017] 图 2 示意性地说明了包含在弹性体纤维内的碳同素异形体材料的一个例子。 弹性体纤维24在静电纺丝设备(未示出)的纺丝尖端处形成。 静电纺丝装置可以包括用于输送弹性体溶液的电源和泵。 弹性体纤维24包含通过静电纺丝排列的碳同素异形体材料26,如上所述。 碳同素异形体材料26排列在弹性体纤维24内或表面上,而不是仅仅以随机、无序的方式与纤维24混合。 例如,碳纳米管的直径和 CA 02929027 2016-05-04 垂直于直径方向的长度。 通常,碳纳米管的长度大于其宽度。 由于弹性体纤维 24 是静电纺丝的,存在于弹性体溶液中的碳纳米管通常会在纤维 24 内或纤维 24 的表面上形成,因此碳纳米管的长度与纤维 24 的延伸方向大致相同。即,长度 碳纳米管的延伸方向与纤维24的长度方向大致相同。虽然在静电纺丝过程中可能会出现一定程度的“缠结”或“缠绕”,但弹性体纤维和碳同素异形体材料形成了非织造纤维织物。 许多弹性体纤维,其中一些具有对齐的碳同素异形体材料,缠结在一起形成非织造纤维织物片。 [0018] 在一些实施例中,具有弹性体纤维24和对齐的碳同素异形体材料26的非织造纤维织物在静电纺丝之后被熔化和/或固化以形成可作为外层14施加到飞行器结构10的固体片材。在 在其他实施例中,额外的非电纺弹性体被施加到通过电纺形成的非织造纤维织物。 此外,可以将抗氧化剂和炭黑等添加剂掺入其他非电纺弹性体中。 可以通过热压、浸泡、浸渍、刷涂、喷涂或使用其他沉积技术将额外的非电纺弹性体和添加剂施加到非织造纤维织物上。 添加剂也可以以与碳同素异形体材料26相同的方式添加到用于形成电纺弹性体纤维的聚合物溶液中。在一些实施例中,非织造纤维织物被施加到内层16,这进一步提高了外层的弹性 层14。在其他实施例中,可以省略内层16。 [0019] 并非非织造纤维织物中的所有弹性体纤维都包含对齐的碳同素异形体材料。 在一些实施例中,仅一部分弹性体纤维包含对齐的碳同素异形体材料。 外层14的弹性体纤维中碳同素异形体材料的加载量可以变化。 在电导率是主要关注点的实施例中,碳同素异形体材料可以具有相对低的负载。 例如,外层 14 的非织造纤维织物片可包含按重量计约 0.5% 的碳纳米管以为外层 14 提供必要的导电性以防止可能损坏外层 14 和飞行器结构 10 的静电放电。该负载水平 CA 02929027 2016-05-04 比相同浓度的非排列碳纳米管还提供更多的机械强度优势。 在其他实施例中,外层14的非织造纤维织物可包含按重量计约0.5%的石墨烯或炭黑。 在主要关注机械强度的实施例中,碳同素异形体材料可以具有更重的负载。 例如,外层 14 的非织造纤维织物可包含按重量计高达约 5% 的碳纳米管,以提高外层 14 的强度和抗侵蚀性。在其他实施例中,外层 14 的非织造纤维织物 可包含按重量计最多约5%的石墨烯或炭黑。 [0020] 除了上述非电纺弹性体和添加剂之外,外层 14 还可以在其微风侧表面(远离飞机结构 10 的外表面)上包含疏冰材料。 疏冰材料排斥冰和/或防止结冰。 合适的疏冰材料包括 HybridShield0 Icephobic 和 HybridSil Fire/Blast(均购自 NanoSonic, Giles County, Virginia),以及低冰粘附性化合物。 低冰粘附性化合物的实例包括硅氧烷、碳氟化合物、碳氟化合物和硅氧烷杂化物、超支化聚碳硅氧烷、聚硅氧烷及其组合。 疏冰材料可以施加到外层14的非织造纤维织物片。疏冰材料既可以渗透织物片又可以在织物片的外表面上形成层。 在一些实施例中,恰好足够的疏冰材料被施加以覆盖非织造纤维织物的外表面。 最小化施加到非织造纤维织物的疏冰材料的量允许外层14在低温下保持其弹性。 可以通过刷涂、喷涂、浸渍、辊涂或其他沉积技术将疏冰材料施加到非织造纤维织物上。 图3示出了具有构成外层14的疏冰材料30的非织造纤维织物片材28的示意图。尽管图3将疏冰材料30显示为片材28顶部的层,但疏冰材料30也渗透到片材28中 ,填充片材28的纤维之间的空隙。图4是包含疏冰材料30的弹性体支架(具有弹性体纤维24的片材28)的视图。 [0021] 外层 14 还可包括添加剂以改变其颜色。 由于炭黑填料的存在,氯丁橡胶气动除冰靴通常是黑色的。 一些飞机部件供应商更喜欢他们的飞机部件具有特定的颜色。 在某些情况下,需要或需要银色飞机部件。 聚氨酯除冰靴可包含 CA 02929027 2016-05-04 铝片填料,使其具有银色。 但是,碳黑的氯丁橡胶靴通常比银色聚氨酯靴具有更好的耐腐蚀性和低温性能。 外层 14 的非织造纤维织物(包含与碳同素异形体材料对齐的弹性体纤维)可以与铝片填充的聚氨酯弹性体层组合以提供比银聚氨酯具有更好的耐性和低温性能的外层 14 启动时仍具有银色。 外层14的无纺纤维织物片可以嵌入到现有的具有铝片的聚氨酯弹性体上。 图5显示了将银色聚氨酯弹性体涂敷在无纺布片上,使银色聚氨酯弹性体覆盖在无纺布片上。 如图5所示,将银色聚氨酯弹性体32涂敷在无纺布片28上。银色聚氨酯弹性体可以通过热压、刷涂、喷涂、浸渍、滚涂等方式涂敷在无纺布上。 涂层或其他沉积技术。 虽然图 5 将银色聚氨酯弹性体 32 显示为片材 28 顶部的一层,但银色聚氨酯弹性体 32 也渗透到片材 28 中,填充了片材 28 的纤维之间的空隙。在另一个实施例中,铝片材料可以 在静电纺丝之前被添加到聚合物溶液中,并且可以以与碳同素异形体材料26类似的方式将铝片材料引入到弹性体纤维24中。 [0022] 如上所述,形成一层除冰靴的方法包括以下步骤:将碳同素异形体材料与弹性体纤维对齐,将弹性体纤维与多个额外的弹性体纤维接合以形成非织造纤维织物 ,并将非织造纤维织物结合到片材中。 将弹性体纤维与碳同素异形体材料对齐的步骤可以包括静电纺丝。 碳同素异形体材料可以与弹性纤维一起静电纺丝,使得碳同素异形体材料包含在纤维内或纤维上。 非织造纤维织物可被熔化和/或固化以形成片材。 该片材可以作为外层 14 应用于飞机结构 10。或者,非织造纤维织物可以嵌入现有的氯丁橡胶或聚氨酯片材(有或没有铝片)中以形成外层 14。疏冰材料也可以 应用于纸张。 [0023] 如本文所公开的将碳同素异形体材料与弹性体纤维对齐提供了一种非织造纤维织物片材,其作为织物的外层具有许多益处。 CA 02929027 2016-05-04 除冰靴。 首先,与目前的弹性体层(无论是 普通或含有非有序碳材料),同时仍提供必要的导电性以防止有害的静电放电。 其次,排列整齐的碳同素异形体的存在改善了低温性能(改善了弹性并降低了脆性),从而允许省略内层 16。 [0024] 可能实施例的讨论 [0025] 下面是对本发明的可能实施例的非排他性描述。 [0026] 除冰靴可包括飞行器结构和外层。 外层可包括多个弹性体纤维和碳同素异形体材料。 碳同素异形体材料可以与属于多根弹性体纤维的至少一种弹性体纤维对齐。 [0027] 前一段的除冰靴可以可选地包括,额外地和/或可替代地,任何一个或多个以下特征、构造和/或附加组件: [0028] 前述除冰靴的另一个实施例可包括位于外层和飞机结构之间的内弹性体层、具有充气管并位于飞机结构和内层之间的骨架层、以及与外层相邻的粘合层。 胎体层并被配置为将胎体层附接到飞行器结构。 [0029] 任何前述除冰靴的进一步实施例可包括碳同素异形体材料选自由碳纳米管、石墨烯、石墨、炭黑及其组合组成的组。 [0030] 任何前述除冰靴的进一步实施例可包括弹性体纤维包含选自由氯丁橡胶、聚氨酯、天然橡胶及其组合组成的组的材料。 CA 02929027 2016-05-04 [0031] 任何前述除冰靴的进一步实施例可包括多个弹性体纤维和碳同素异形体材料形成非织造电纺纤维织物片。 [0032] 任何前述除冰靴的进一步实施例可包括位于外层上的疏冰材料。 [0033] 任何前述除冰靴的进一步实施例可包括疏冰材料选自硅氧烷、碳氟化合物、聚碳硅氧烷、聚硅氧烷及其组合。 [0034] 任何前述除冰靴的进一步实施例可包括铝片。 100351 任何前述除冰靴的进一步实施例可包括铝片与属于多根弹性体纤维的至少一根弹性体纤维对齐。 [0036] 任何前述除冰靴的进一步实施例可包括非织造电纺纤维织物片材进一步包含非电纺弹性体。 [0037] 任何前述除冰靴的进一步实施方案可包括,非织造电纺纤维织物片材进一步包含选自抗氧化剂、炭黑及其组合的添加剂 [0038] 形成一层除冰靴的方法可包括将碳同素异形体材料与第一弹性体纤维对齐,将第一弹性体纤维与多根额外的弹性体纤维接合以形成非织造纤维织物,并结合 无纺布纤维织物成片。 [0039] 上一段的方法可以可选地包括,附加地和/或备选地,任何一个或多个以下特征、配置和/或附加组件: [0040] 上述方法的另一个实施例可以包括碳同素异形体材料选自碳纳米管、石墨烯、石墨、炭黑及其组合。 CA 02929027 2016-05-04 [0041] 任何前述方法的进一步实施方案可包括通过静电纺丝包含第一碳同素异形体材料的弹性体溶液来执行将第一弹性体纤维与碳同素异形体材料对齐。 [0042] 任何前述方法的进一步实施例可包括将非织造织物结合到片材中包括熔合或熔化非织造织物以形成片材。 [0043] 任何前述方法的进一步实施例可包括将疏冰材料施加到片材,其中疏冰材料选自硅氧烷、碳氟化合物、聚碳硅氧烷、聚硅氧烷及其组合。 [0044] 任何前述方法的进一步实施例可包括通过静电纺丝包含铝片材料的弹性体溶液来使第一弹性体纤维与铝片材料对齐。 [0045] 任何前述方法的进一步实施例可包括片材是氯丁橡胶或聚氨酯片材,并且其中将非织造织物结合到片材中包括将非织造织物嵌入片材中。 100461 任何前述方法的进一步实施方案可包括片材是具有铝薄片的聚氨酯弹性体片材,并且其中将非织造织物结合到片材中包括将非织造织物嵌入片材中。 [0047] 除冰靴可包括飞行器结构和外层。 外层可包括多个弹性体纤维和铝片。 铝薄片可以与属于多根弹性体纤维中的至少一根弹性体纤维对齐 [0048] 虽然已经参考示例性实施例描述了本发明,但是本领域的技术人员将理解,在不脱离本发明的范围的情况下,可以进行各种改变并且可以用等同物代替其元素。 发明。 此外,在不脱离本发明的基本范围的情况下,可以进行许多修改以使特定情况或材料适应本发明的教导。 因此,本发明不限于 CA 02929027 2016-05-04 公开的特定实施例,而是本发明将包括落入所附权利要求范围内的所有实施例。