一种光热除冰表面涂层及其制备方法与流程

本发明属于高分子涂层材料领域，具体涉及一种光热除冰表面涂层及其制备方法。

背景技术：

在我们的日常生活中，各种表面积冰造成了许多严重的问题。在某些情况下，它会导致灾难性事件，例如飞机坠毁和电网崩溃，导致严重的经济影响和大量人员伤亡。因此，必须及时清理各种表面的积冰才能减轻结冰的影响。传统的除冰方法如机械振动、通电加热等方式不仅效率较低，在除冰过程中浪费了大量的人力和物力。开发新的高效除冰方式具有十分重要的意义。

光热粒子如碳纳米管、fe3o4、石墨烯、二氧化钼等可以在近红外激光的辐照下迅速产热，通常被用于靶向清除癌细胞等医学领域。利用其在激光照射下快速产热的特点，添加了光热粒子的涂层表面可以实现高效快速以及大规模和远距离除冰，具有十分广阔的应用前景。

技术实现要素：

为达上述目的，本发明提出一种光热除冰表面涂层及其制备方法，所述光热除冰表面涂层具有材料易得、工艺简单等优点，利用不同功率的红外激光可以实现高效快速大规模远程除冰。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种光热除冰表面涂层，由包含聚硅氮烷、光热粒子、乙醇和稳定剂的前驱体溶液浸涂后经水解固化得到；

所述聚硅氮烷本身并不具有光热的性质，只有将其与所述光热粒子均匀的分散在涂层中并水解固化后才具备高效的光热效应。

进一步地，所述表面从透明转变为黑色。

进一步地，配制所述前驱体时，聚硅氮烷、光热粒子、乙醇、稳定剂的比例为：聚硅氮烷1-3份，光热粒子0.1-0.9份，乙醇10-30份，稳定剂0.5-1.5份

进一步地，所述光热粒子直径均小于100nm，含量占所述光热除冰表面涂层总质量的1-9％；该含量下制备得到的光热除冰表面涂层的光热性能最优，纳米级的光热粒子具有更高的光热转化效率。

进一步地，所述聚硅氮烷包括全氢聚硅氮烷、甲基聚硅氮烷、乙烯基聚硅氮烷中的任意一种或任意两种或两种以上。

进一步地，所述光热粒子为碳纳米管、fe3o4、石墨烯、二氧化钼中的任意一种或任意两种及两种以上。

进一步地，所述乙醇为分散剂。

进一步地，所述红外激光波长为808-1064nm。

进一步地，经能量密度为1w/cm²808nm激光照射60s后涂层表面表面温度可达到90摄氏度以上。说明涂层具有良好的光热转换效率。

进一步地，所述聚硅氮烷可替换为聚硅氧烷、环氧树脂等。

一种光热除冰表面涂层的制备方法，包括制备前驱体溶液步骤和前驱体溶液水解固化步骤。

进一步地，所述制备前驱体溶液具体为：

(1)量取原材料聚硅氮烷、乙醇、光热粒子和稳定剂；

(2)将聚硅氮烷和乙醇后，加入光热粒子和稳定剂；然后，进行超声分散，期间保持超声水浴温度低于50℃，直至所述所有组分混合均匀，得到前驱体溶液；

进一步地，(2)中在超声分散过程中，所述前驱体溶液会因溶液温度升高而挥发，故在超声分散时需要保持水浴温度低于50℃，防止因所述前驱体溶液挥发造成所述光热粒子无法均匀分散。

进一步地，(2)中采用循环水控制超声水浴的温度低于50摄氏度。

进一步地，(1)中量取的原材料按重量配比计，所述聚硅氮烷1-3份，光热粒子0.1-0.9份，乙醇10-30份，稳定剂0.5-1.5份。

进一步地，所述聚硅氮烷包括全氢聚硅氮烷、甲基聚硅氮烷、乙烯基聚硅氮烷中的任意一种或任意两种或两种以上。

进一步地，所述光热粒子为碳纳米管、fe3o4、石墨烯、二氧化钼中的任意一种或任意两种及两种以上。

进一步地，所述乙醇为分散剂。

进一步地，所述前驱体溶液水解固化步骤具体内容为：将基体悬于溶液中浸泡3分钟后取出，室温表干20分钟，然后在一定温度和湿度下固化，得到所述光热除冰表面涂层。

进一步地，所述固化时的温度为100-200℃；固化时间为2；固化湿度大于80％。

进一步地，所述基底材料的成分为金属或有机物。

本发明具有如下有益效果：

(1)本发明的光热除冰表面涂层的制备方法与传统机械振动、电热、化学除冰等方式相比环保、效率高可以实现高效快速大规模除冰。

(2)本发明的光热除冰表面涂层具有较高的光热转化效率。

(3)本发明采用聚硅氮烷作为光热粒子的载体，通过乙醇将其分散，并加入十二烷基磺酸钠等稳定剂，光热粒子分散液具有很好的稳定性，放置两周也不会沉降。

(4)本发明中利用高功率红外激光器可以实现非接触远程除冰。

附图说明

图1为本发明实施例1中的涂层制备方法示意图。

图2为本发明实施例1中不同碳纳米管含量涂层表面温度在相同强度激光照射后表面温度随时间变化图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

实施例1

本实施例提供一种光热除冰表面涂层及其制备方法，表面涂层的制备方法包括制备前驱体溶液步骤和前驱体溶液水解固化步骤。

所述制备光热除冰溶液具体为：

(1)量取原材料聚硅氮烷、光热粒子、乙醇、稳定剂；

(2)将聚硅氮烷和乙醇后，加入光热粒子和稳定剂；然后，进行超声分散，期间保持超声水浴温度低于50℃，直至所述所有组分混合均匀，得到前驱体溶液；

补充所述前驱体溶液的超声过程中需要通循环水冷却以降低溶液温度减少溶液的挥发。

(1)中量取的原材料按重量配比计，所述聚硅氮烷1-3份，光热粒子0.1-0.9份，乙醇10-30份，稳定剂0.5-1.5份。

(2)中补充的所述超声分散的时间为120-240min；所述水浴温度低于50℃。

所述聚硅氮烷为乙烯基聚硅氮烷。

所述稳定剂为十二烷基磺酸和聚乙烯吡咯烷酮中的任意一种或任意两种。

所述光热粒子为碳纳米管、fe3o4、石墨烯、二氧化钼中的任意一种或任意两种及两种以上，以碳纳米管为例进行说明。

所述乙醇为分散剂。

所述前驱体溶液水解固化步骤具体内容为：将基体悬于溶液中浸泡3分钟后取出，室温表干20分钟，然后在一定温度和湿度下固化，得到所述光热除冰表面涂层。

所述固化时的温度为100-150℃；固化时间为2h。

所述固化湿度大于80％。

所述基底材料为金属或有机物。

根据上述的一种光热除冰表面涂层的制备方法，进行以下制备光热除冰表面涂层及将制备得到的光热除冰表面涂层经过sem(扫描电镜)、红外光谱测试、光热性能测试、以及除冰实验，验证本发明的光热除冰表面涂层的性质。

光热除冰表面涂层的具体制备内容如下：

按重量配比计，将1份的乙烯基聚硅氮烷与10份乙醇混合放入烧杯，同时0.5份碳纳米管，0.25份十二烷基磺酸钠和0.125份聚乙烯吡咯烷酮。随后进行超声分散，分散时间为4小时，期间利用循环水冷却。分散完毕后，将玻璃浸没在前驱体溶液中3分钟，取出后室温表干20分钟。烘箱中150℃固化2小时。在烘箱中放入去离子水以保持高湿度。

改变前驱体溶液中碳纳米管的比例制备不同光热性能的涂层，碳纳米管的质量分数为1％、3％、5％和7％。

将制备得到的光热除冰表面涂层经过sem(扫描电镜)、傅里叶红外光谱测试测试、光热性能测试(如图2所示)以及除冰实验，验证本实施例的光热除冰表面涂层的性质：

由扫描电镜测试可知：本发明涂层表面结构具有粗糙微观颗粒结构，并且所碳纳米管含量升高，粗糙度增大。

由图傅里叶红外光谱测试可知，在水解固化过程中涂层由si-n-si框架转变为si-o-si框架，保证涂层固化后对红外光仅有极微小的吸收。

由图2光热性能测试实验结果图可知：不同碳纳米管含量的涂层经相同强度激光照射后所能达到的最高温度不同，碳纳米管浓度越高，涂层所能达到的最高温度越高。

由除冰实验可知：没有添加碳纳米管的涂层表面经激光照射后冰层并未融化，添加碳纳米管的涂层表面的冰层在1w/cm²激光照射30秒后就出现了明显融化。这显示了光热除冰表面涂层优异的除冰性能。

以上所述的具体实施例，对于本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不局限于本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。