一种超疏水防覆冰薄膜及其制备方法

1.本发明涉及一种具有被动防冰及光电热协同主动除冰的超疏水防覆冰薄膜及其制备方法，属于超疏水疏冰先进智能复合材料领域。


背景技术：

2.物体表面结冰是日常生活中的一种常见现象，积冰可能会导致飞机局部质量变大进而改变飞机整体的质量分布，还可能改变气动外形增大飞机阻力，以及降低航空发动机的效率。严重威胁人类的生命及财产安全。传统的表面除冰方法主要有：震颤除冰、化学除冰、超声波除冰等，但这些方法可能伴随着损害表面结构、污染环境、效率低、高能耗等问题。为了解决积冰带来的安全问题，同时优化传统除冰策略带来的不利影响。确定了制备该种薄膜应具备的性能，如高效、环保、低能耗、耐候性好等。
3.因荷叶表面有自清洁的功能，北宋诗人周敦颐用“出淤泥而不染，濯清涟而不妖”这样的诗句描写莲花。液滴在荷叶表面具有超高的接触角、极低的滚动角和极小的固液接触面积。这是因为荷叶表面存在微纳米尺度的乳突状结构。这一发现直接推动了人造超疏水表面的研究。通过模拟荷叶表面的多层次纹理结构，采用低表面能物质修饰，创造出人造超疏水表面，使液滴可以迅速从固体表面脱落，同时极小的固液接触面积可以有效降低固液交界面的热交换速率，从而达到防冰的效果，这说明超疏水表面可以延缓水的冻结。但当表面长期处于极端寒冷潮湿环境时，积冰现象依然会发生。当被动防冰策略已无法满足防积冰需求时，需要薄膜自身具备主动除冰的功能。在传统的主动除冰方法中，电热除冰技术是一种可行性较高的主动除冰策略，有高效、操作简单等特点。在具备主动除冰技术的新型防覆冰材料中，光热除冰技术由于具备远程、环保、响应速度快等特点而受到关注，光致发热在防覆冰材料的研究中具有巨大的研究意义和经济效益。但当单一策略驱动的防覆冰薄膜遭遇驱动条件无法满足时，研究具有多策略驱动的防覆冰材料就显得尤为重要。可以推测，未来的防覆冰材料应是多策略协同协同形式的智能复合材料。
4.碳纳米管具有基于分子间振动的光致发热特点，傅立叶光谱分析显示，多壁碳纳米管凭借共轭的π键，会引起吸收光谱的红移。大量的共轭π键在近红外光的照射下，可以促进电子的激发和π键的跃迁，将能量转移到晶格振动模式，从而导致材料的整体温度升高。有较高的光热转换效率。同时，碳纳米管也具有化学稳定性好、耐高温、耐腐蚀等优点，可应用于防覆冰薄膜的光热除冰模式中。导电性良好的碳纳米管同时赋予原位聚合的基底材料可导电的特性。重量轻，六边形结构连接完美的碳纳米管具有许多异常的力学、电学和化学性能，亦可应用于防覆冰薄膜的电热除冰模式中。因此，研究一种具有被动防冰及光电热协同主动除冰的超疏水防覆冰薄膜具有极大的应用前景和经济效益。


技术实现要素：

5.本发明制备了一种超疏水防覆冰薄膜及其制备方法。该防覆冰薄膜具有良好的超疏水及防覆冰性能，可以解决固体表面的积冰问题。当遭遇极端恶劣如气温剧降、冻雨等天
气时，过冷液滴冻结在物体表面。可以根据实际情况选择合适的模式进行除冰。
6.本发明的目的在于提供一种超疏水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：
8.一种超疏水防覆冰薄膜的制备方法，包括如下步骤：
9.(1)将多壁碳纳米管超声振荡均匀分散于nmp溶液中，溶液a制得；
10.(2)将pei颗粒分散于nmp溶液中，质量分数为35％，磁力搅拌器温度设置为80℃，转数为1000r/min搅拌2h，使pei颗粒充分溶解在nmp中，溶液b制得；
11.(3)将溶液a和溶液b共混，超声分散1h，形成均匀溶液c；
12.(4)将溶液c倒入圆形培养皿中，放入高温烘箱中18h，烘箱温度为200℃，高温蒸发溶剂，固化成型；
13.(5)将制备样品脱模取出，冷却至室温，利用激光刻蚀机在样品表面刻蚀矩形截面微柱阵列，柱尺寸为50μm*50μm*100μm；
14.(6)将具有矩形截面微柱阵列的样品超声清洗30min；
15.(7)将干净的样品放入1wt％的十七氟癸基三乙氧基硅烷乙醇溶液中，完全浸润12h，取出后晾干，获得最终样品。
16.所述多壁碳纳米管内径为3～4nm、外径为8～15nm、长度为3～12μm。
17.薄膜中多壁碳纳米管质量分数为1.0％～5.0％。
18.所述pei溶液是利用nmp作为溶剂加热搅拌制得。
19.一种超疏水防覆冰薄膜，由上述方法制备而成。
20.超疏水防覆冰薄膜的厚度为0.5mm。
21.利用波长为808nm、功率为1w/cm2的近红外光照射薄膜后，100s内薄膜可将自身温度提升至194℃。
22.对薄膜两端施加12v电压后，165s内薄膜可将自身温度提升至100℃。
23.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
24.本发明所制备的薄膜耐候性及自清洁性较好，具有保持表面干燥、防覆冰、使用寿命长等特点，具有丰富的应用环境和较高的经济价值。光热除冰模式：利用波长为808nm、功率为1w/cm2的近红外光照射薄膜后，100s内薄膜可将自身温度提升至194℃。电热除冰模式：对样品两端施加12v电压后，165s内薄膜可将自身温度提升至100℃。
附图说明
25.图1被动防冰及光电热协同主动除冰的超疏水防覆冰薄膜表面微结构电镜照片；
26.图2被动防冰及光电热协同主动除冰的超疏水防覆冰薄膜表面示意图；
27.图3被动防冰及光电热协同主动除冰的超疏水防覆冰薄膜的两种除冰模式时间温度曲线。
具体实施方式
28.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。
29.一种具有被动防冰及光电热协同主动除冰的超疏水防覆冰薄膜的制备及其应用
方法包括如下步骤：
30.(1)将多壁碳纳米管按不同比例超声振荡均匀分散于nmp溶液(n-甲基吡咯烷酮)中，溶液a制得。
31.(2)将一定量pei颗粒分散于nmp溶液中，质量分数为35％，磁力搅拌器温度设置为80℃，转数为1000r/min搅拌2h，使pei颗粒充分溶解在nmp中，溶液b制得。
32.(3)将溶液a和溶液b共混，超声分散1h，形成均匀溶液c。
33.(4)将溶液c倒入圆形培养皿中，放入高温烘箱中18h，烘箱温度为200℃，高温蒸发溶剂，固化成型。
34.(5)将制备样品脱模取出，冷却至室温，利用激光刻蚀机在样品表面刻蚀矩形截面微柱阵列，柱尺寸为50μm*50μm*100μm。
35.(6)将具有矩形截面微柱阵列的样品超声清洗30min。
36.(7)将干净的样品放入1wt％的十七氟癸基三乙氧基硅烷乙醇溶液中，完全浸润12h，取出后晾干，获得最终样品。
37.如上所述薄膜制备方法，其特征在于：
38.光热除冰模式：利用波长为808nm、功率为1w/cm2的近红外光照射薄膜后，100s内薄膜可将自身温度提升至194℃。
39.电热除冰模式：对样品两端施加12v电压后，165s内薄膜可将自身温度提升至100℃。
40.该薄膜是由多壁碳纳米管和聚醚酰亚胺组成的智能纳米复合材料；制备工作中所使用的多壁碳纳米管内径为3～4nm、外径为8～15nm、长度为3～12μm。薄膜中多壁碳纳米管质量分数为1.0％～5.0％；聚醚酰亚胺(pei)溶液是利用nmp作为溶剂加热搅拌制得；超疏水防覆冰薄膜的厚度为0.5mm。
41.综上所述：本发明涉及一种具有被动防冰及光电热协同主动除冰的超疏水防覆冰薄膜的制备及其应用方法，将碳纳米管均匀分散到聚醚酰亚胺基体中，固化后利用激光刻蚀机在薄膜表面刻蚀微米尺度的柱状阵列。成功制备了一种具有被动防冰和双策略协同主动除冰的超疏水防覆冰薄膜。得益于碳纳米管的超高光热转换效率和优异的导电性，常温下薄膜表面温度在近红外光(808nm,1w/cm2)的照射下最高可升至198℃左右，并通过热对流效应迅速传递到薄膜的其他部位，达到高效除冰的效果。当光照条件无法满足时，利用焦耳热原理，可以通过对薄膜施加电压从光热除冰模式切换到电热除冰模式，对样品两端施加12v电压后，165s内薄膜可将自身温度提升至100℃。当偶遇恶劣天气时可根据实际情况选择不同模式灵活除冰。该方法将电热主动除冰策略、光热主动除冰策略应用于超疏水被动防冰表面，有望在表面防覆冰领域中发挥重要作用，具有重要的应用参考价值。
42.本发明未尽事宜为公知技术。
43.上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种超疏水防覆冰薄膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将多壁碳纳米管超声振荡均匀分散于nmp溶液中，溶液a制得；(2)将pei颗粒分散于nmp溶液中，质量分数为35％，磁力搅拌器温度设置为80℃，转数为1000r/min搅拌2h，使pei颗粒充分溶解在nmp中，溶液b制得；(3)将溶液a和溶液b共混，超声分散1h，形成均匀溶液c；(4)将溶液c倒入圆形培养皿中，放入高温烘箱中18h，烘箱温度为200℃，高温蒸发溶剂，固化成型；(5)将制备样品脱模取出，冷却至室温，利用激光刻蚀机在样品表面刻蚀矩形截面微柱阵列，柱尺寸为50μm*50μm*100μm；(6)将具有矩形截面微柱阵列的样品超声清洗30min；(7)将干净的样品放入1wt％的十七氟癸基三乙氧基硅烷乙醇溶液中，完全浸润12h，取出后晾干，获得最终样品。2.根据权利要求1所述的超疏水防覆冰薄膜的制备方法，其特征在于，所述多壁碳纳米管内径为3～4nm、外径为8～15nm、长度为3～12μm。3.根据权利要求1所述的超疏水防覆冰薄膜的制备方法，其特征在于，薄膜中多壁碳纳米管质量分数为1.0％～5.0％。4.根据权利要求1所述的超疏水防覆冰薄膜的制备方法，其特征在于，所述pei溶液是利用nmp作为溶剂加热搅拌制得。5.一种超疏水防覆冰薄膜，其特征在于，由权利要求1-5任意一种方法制备而成。6.根据权利要求5所述的超疏水防覆冰薄膜，其特征在于，超疏水防覆冰薄膜的厚度为0.5mm。7.根据权利要求5所述的超疏水防覆冰薄膜，其特征在于，利用波长为808nm、功率为1w/cm2的近红外光照射薄膜后，100s内薄膜可将自身温度提升至194℃。8.根据权利要求5所述的超疏水防覆冰薄膜，其特征在于，对薄膜两端施加12v电压后，165s内薄膜可将自身温度提升至100℃。

技术总结
本发明提供了一种超疏水防覆冰薄膜的制备方法，包括如下步骤：将多壁碳纳米管超声振荡均匀分散于NMP溶液中，溶液A制得；将PEI颗粒分散于NMP溶液中，质量分数为35％，溶液B制得；将溶液A和溶液B共混，形成均匀溶液C；将溶液C高温蒸发溶剂固化成型；将制备样品脱模取出，冷却至室温，将具有矩形截面微柱阵列的样品超声清洗；将干净的样品放入1wt％的十七氟癸基三乙氧基硅烷乙醇溶液中，完全浸润12h，取出后晾干，获得最终样品。本发明所制备的薄膜耐候性及自清洁性较好，具有保持表面干燥、防覆冰、使用寿命长等特点，具有丰富的应用环境和较高的经济价值。的经济价值。的经济价值。


技术研发人员：梁文彦 薛意青 王钰博 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