具备双策略智能除冰功能的柔性防覆冰薄膜及其制备方法

1.本发明涉及一种具备双策略智能除冰功能的柔性纳米防覆冰薄膜及其制备方法，属于智能防覆冰先进智能复合材料领域。


背景技术：

2.结冰的相变过程复杂多变，对人类的日常生活产生了极大的影响。设备表面的覆冰会降低设备的使用寿命，对设备造成不同程度的损坏，甚至会产生严重的安全问题，引发灾难。根据除冰原理的不同，可以将除冰方式简单分为机械除冰、化学除冰、加热除冰三种不同的类型。机械除冰的手段往往很粗暴，通过击打、震动、刮擦等方式使冰层破碎脱落，这会破坏设备本身，同时也浪费人力物力。化学除冰的原理则是通过化学药品降低覆冰熔点以融化冰雪。但同样带来了棘手的环境问题。相比之下，加热除冰的方式不但保护设备，而且不会造成环境问题。基于摆脱表面覆冰的需求，和避免浪费人力物力与污染环境，防覆冰薄膜的理念应运而生。
3.得益于极低的表面能和极小的固液接触面积，超疏水表面具有极佳的拒水性，不被浸润的特性也使得超疏水表面在防覆冰薄膜的制备工作中频繁现身。液滴在接触超疏水表面后可以迅速脱离表面，降低了表面被冰雪覆盖的可能性。极小的固液接触面积也将液滴与固体表面的热交换速率降到最低。可以有效延缓液滴在固体表面成核相变。当超疏水薄膜身处低温高湿环境时，表面会发生结霜现象，等到冰霜积累过多，将薄膜表面全部覆盖，此时超疏水表面的粗糙结构将完全失去作用，犬牙交错的冰层和微结构甚至会形成“榫卯互锁”，产生相比于光滑表面更大的冰粘附力，使覆冰更难被摆脱。不局限于低温高湿环境，当表面偶遇极端天气，遭遇过冷液滴时，液滴接触表面瞬间找到成核位点并发生再辉现象，液滴内部冰晶迅速生长冻结。也会造成超疏水表面的失效。
4.多壁碳纳米管具有优异的长径比和导电性，聚二甲基硅氧烷经过多壁碳纳米管原位聚合后会在基体内部自由搭界形成三维导电网络。经过碳纳米管改性后，聚二甲基硅氧烷基体同样具有优秀的导电性，利用焦耳热原理，在薄膜两端施加直流电压，使薄膜具备电致发热的特性。同样尺度为纳米级的氮化钛纳米颗粒作为过渡金属氮化物具有等离子体共振的特性。基于氮化钛纳米颗粒表面等离子体的共振效应，氮化碳颗粒相比于其他惰性金属颗粒具有更优异的光热转化性能。在经过波长为808nm的低功率近红外线照射后，表观温度具有明显提升。可以作为光热填料，可同样在聚二甲基硅氧烷基体中进行分散，使薄膜具备光致发热的特性。综合了两种刺激方式的智能除冰薄膜在解决覆冰问题上具有极大的应用前景。


技术实现要素：

5.本发明制备了一种具备双策略智能除冰功能的柔性防覆冰薄膜及其制备方法。该柔性防覆冰薄膜具有良好的超疏水及防覆冰性能的同时，还能具有满足复杂形状、复杂尺寸、随意揉搓、裁剪，可按照具体需求进行布置的特点，可以解决复杂表面的冰雪覆盖问题。
6.本发明的目的在于提供一种具备双策略智能除冰功能的柔性防覆冰薄膜及其制备方法。
7.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
8.一种具备双策略智能除冰功能的柔性防覆冰薄膜的制备方法，包括如下步骤：
9.步骤一：将质量百分比为0.5％～5.0％的多壁碳纳米管mwcnt和0.5％～5.0％的氮化钛纳米颗粒tin依次加入至75％～89％的pdms-a组分中机械搅拌10分钟，得到mwcnt/tin/pdms-a的初步混合物；
10.步骤二：将步骤(1)中所得混合物采用机械剪切分散法的分散方式，倒入三辊研磨机中进行进一步的循环分散，次数为15次；
11.步骤三：将循环分散15次后的mwcnt/tin/pdms-a混合物中加入10％～15％的pdms-b组分，同时再次机械搅拌10分钟，获得mwcnt/tin/pdms的均匀分散体；
12.步骤四：将mwcnt/tin/pdms的均匀分散体倒入模具中冷却至室温，最终固化72小时后成膜；
13.步骤五：利用激光刻蚀机在薄膜表面刻蚀方形截面的微柱阵列，柱尺寸为10μm-200μm，间距10μm-100μm，高度50μm-300μm；
14.步骤六：将具有矩形截面微柱阵列的薄膜进行裁剪并超声清洗30分钟，自然风干，获得最终样品。
15.所述多壁碳纳米管和氮化钛纳米颗粒的质量分数分别均为0.5％～5％。
16.一种具备双策略智能除冰功能的柔性防覆冰薄膜，使用低功率近红外光对薄膜进行刺激后，薄膜可将自身温度迅速提升以摆脱表面覆冰。在薄膜两端施加直流电压后，薄膜可将自身温度迅速提升以摆脱表面覆冰。
17.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
18.本发明通过在具有光热和电热响应的薄膜上构筑微结构阵列，使表面获得超疏水性，表面可以增强液滴弹跳，减少液滴聚集，延缓结晶成核，实现被动防冰；使用低功率近红外光对薄膜进行照射或者在薄膜两端施加直流电压后，可将薄膜温度迅速提高实现主动除冰。
附图说明
19.图1是本发明在12v电压下或1w/cm2光照强度下的时间温度曲线；
20.图2是本发明具备双策略智能除冰功能的柔性防覆冰薄膜表面示意图。
具体实施方式
21.为了使本发明的目的和制备过程及优点更清晰明了，下面结合实施方式对本发明进一步描述。
22.一种具备双策略智能除冰功能的柔性纳米防覆冰薄膜的制备及其应用方法包括如下步骤：
23.步骤一：将质量百分比为0.5％～5.0％mwcnt和0.5％～5.0％tin依次加入至75％～89％pdms-a组分中机械搅拌10分钟，得到mwcnt/tin/pdms-a的初步混合物。
24.步骤二：将步骤(1)中所得混合物采用机械剪切分散法的分散方式，倒入三辊研磨
机中进行进一步的循环分散，次数为15次。
25.步骤三：将循环分散15次后的mwcnt/tin/pdms-a混合物中加入10％～15％的pdms-b组分，同时再次机械搅拌10分钟，获得mwcnt/tin/pdms的均匀分散体。
26.步骤四：将mwcnt/tin/pdms的均匀分散体倒入模具中冷却至室温，最终固化72小时后成膜。
27.步骤五：利用激光刻蚀机在薄膜表面刻蚀方形截面的微柱阵列，柱尺寸为10μm-200μm，间距10μm-100μm，高度50μm-300μm。
28.步骤六：将具有矩形截面微柱阵列的薄膜进行裁剪并超声清洗30分钟，自然风干，获得最终样品。
29.通过在具有光热和电热响应的薄膜上构筑微结构阵列，使表面获得超疏水性。表面可以增强液滴弹跳，减少液滴聚集，延缓结晶成核，实现被动防冰。使用低功率近红外光对薄膜进行照射或者在薄膜两端施加直流电压后，可将薄膜温度迅速提高实现主动除冰。
30.该防覆冰薄膜是由多壁碳纳米管(mwcnt)和氮化钛纳米颗粒(tin)按照一定比例混合后利用机械剪切分散法在聚二甲基硅氧烷(pdms)基体中进行分散，形成mwcnt/tin/pdms均匀分散体后固化而成的一种柔性纳米防覆冰薄膜。该防覆冰薄膜中多壁碳纳米管和氮化钛纳米颗粒的质量分数分别均为0.5％～5％。
31.综上所述：本发明涉及一种具备双策略智能除冰功能的柔性防覆冰薄膜的制备及其应用方法，将一定配比的多壁碳纳米管和氮化钛纳米颗粒利用机械剪切法均匀分散到聚二甲基硅氧烷基体中，同时利用紫外激光刻蚀机对固化后的薄膜进行刻蚀，在表面构筑微结构阵列并获得超疏水性。所制备的具备双策略智能除冰功能的柔性防覆冰薄膜可以任意裁剪、加工，可根据设备设施表面形状进行弯折布置。薄膜可有效的避免液滴在表面聚集，并可延迟表面的液滴冻结，具有被动防冰性能。经过多壁碳纳米管和氮化钛纳米颗粒改性后的薄膜同时具有优异的电热性能和光热转化性能，同时具有电热响应和光热响应两种主动除冰模式，可根据具体使用场景选择适当的除冰方式解决表面覆冰问题。
32.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种具备双策略智能除冰功能的柔性防覆冰薄膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：将质量百分比为0.5％～5.0％的多壁碳纳米管mwcnt和0.5％～5.0％的氮化钛纳米颗粒tin依次加入至75％～89％的pdms-a组分中机械搅拌10分钟，得到mwcnt/tin/pdms-a的初步混合物；步骤二：将步骤(1)中所得混合物采用机械剪切分散法的分散方式，倒入三辊研磨机中进行进一步的循环分散，次数为15次；步骤三：将循环分散15次后的mwcnt/tin/pdms-a混合物中加入10％～15％的pdms-b组分，同时再次机械搅拌10分钟，获得mwcnt/tin/pdms的均匀分散体；步骤四：将mwcnt/tin/pdms的均匀分散体倒入模具中冷却至室温，最终固化72小时后成膜；步骤五：利用激光刻蚀机在薄膜表面刻蚀方形截面的微柱阵列，柱尺寸为10μm-200μm，间距10μm-100μm，高度50μm-300μm；步骤六：将具有矩形截面微柱阵列的薄膜进行裁剪并超声清洗30分钟，自然风干，获得最终样品。2.根据权利要求1所述的具备双策略智能除冰功能的柔性防覆冰薄膜的制备方法，其特征在于，所述多壁碳纳米管和氮化钛纳米颗粒的质量分数分别均为0.5％～5％。3.一种具备双策略智能除冰功能的柔性防覆冰薄膜，其特征在于，由权利要求1-2中任意一种方法制备而成。4.根据权利要求3所述的具备双策略智能除冰功能的柔性防覆冰薄膜，其特征在于，使用低功率近红外光对薄膜进行刺激后，薄膜可将自身温度迅速提升以摆脱表面覆冰。5.根据权利要求3所述的具备双策略智能除冰功能的柔性防覆冰薄膜，其特征在于，在薄膜两端施加直流电压后，薄膜可将自身温度迅速提升以摆脱表面覆冰。

技术总结
本发明提供了一种具备双策略智能除冰功能的柔性防覆冰薄膜的制备方法，将一定配比的多壁碳纳米管和氮化钛纳米颗粒利用机械剪切法均匀分散到聚二甲基硅氧烷基体中，同时利用紫外激光刻蚀机对固化后的薄膜进行刻蚀，在表面构筑微结构阵列并获得超疏水性。本发明具备双策略智能除冰功能的柔性防覆冰薄膜可以任意裁剪、加工，可根据设备设施表面形状进行弯折布置；薄膜可有效的避免液滴在表面聚集，并可延迟表面的液滴冻结，具有被动防冰性能；经过多壁碳纳米管和氮化钛纳米颗粒改性后的薄膜同时具有优异的电热性能和光热转化性能，同时具有电热响应和光热响应两种主动除冰模式，可根据具体使用场景选择适当的除冰方式解决表面覆冰问题。表面覆冰问题。表面覆冰问题。


技术研发人员：梁文彦 王钰博 薛意青 孙永阳 隋欣 王寅峰
受保护的技术使用者：哈尔滨工程大学
技术研发日：2023.03.13
技术公布日：2023/8/21