一种柔性自粘附超疏水光热除冰薄膜及其制备方法与流程

本发明涉及一种柔性自粘附超疏水光热除冰薄膜及其制备方法，属于功能材料及其制备。

背景技术：

1、冰作为一种自然现象，其独特的形态和结构赋予了它极高的美学价值，然而结冰或积冰在飞机机翼和发动机进气口、输电线路、高速列车转向架等表面附着可能对各种系统造成灾难性的影响，因此防结冰与快速除冰技术至关重要。

2、传统的除冰方法如防冰液、机械除冰和加热除冰(电热、热空气)，常常涉及复杂的制备路线，或伴随着效率低、耗能、成本高和化学污染。超疏水界面被认为是最有前途的防冰技术手段之一，具有无能耗、低粘附、有效延迟冰晶生长等优点，超疏水材料表面由微纳米级粗糙结构构成，易受外力冲击或低温高湿环境影响而破坏，进而影响其超疏水性能。在极端环境下，超疏水材料无法满足防冰需求。

技术实现思路

1、本发明针对现有除冰方式存在的上述技术问题，提供一种柔性自粘附超疏水光热除冰薄膜及其制备方法，具体的利用协同光热效应的超疏水薄膜表面具备自清洁、水蒸发和除冰等功能，更为高效、经济和环保的解决结冰问题。同时利用薄膜的自粘附性能，无需额外的紧固件即可牢固地粘合到不同形状的材料上，降低系统复杂性，具有应用灵活，便于实施的特点。

2、本发明的技术方案：

3、本发明的目的之一是提供一种柔性自粘附超疏水光热除冰薄膜的制备方法，该方法包括以下步骤：

4、(1)以氧化石墨烯(go)水溶液和酸化螺旋碳纳米管(hcnts)水溶液为原料，在还原剂存在条件下，水浴反应，得到hcnts-rgo；

5、(2)将苯乙烯-乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(sebs)、甲苯和hcnts-rgo混合，加热搅拌均匀，得到有机悬浮液；

6、(3)将有机悬浮液倒入模具中，加热挥发甲苯，得到柔性薄膜；

7、(4)将柔性薄膜一面用铝箔保护，另一面用氧等离子体处理，得到自粘附柔性薄膜；

8、(5)使用铝箔保护自粘附柔性薄膜表面，将另一面用四氟甲烷等离子体处理，得到柔性自粘附超疏水光热除冰薄膜。

9、进一步限定，(1)中还原剂为茶多酚水溶液。

10、进一步限定，(1)中酸化螺旋碳纳米管的制备方法为：将螺旋碳纳米管和浓硝酸混合，鼓风干燥箱160℃恒温6～8h，冷却至室温后使用乙醇和去离子水冲洗至中性，得到酸化螺旋碳纳米管。

11、进一步限定，(1)中水浴反应温度为80～90℃，时间为8～12h，搅拌速率为400～600r/min。

12、更进一步限定，(1)的具体操作过程为：取10ml浓度为3mg/ml的氧化石墨烯水溶液超声2h，与20ml浓度为0.5mg/ml的酸化后螺旋碳纳米管水溶液混合超声1.5h，再加入30ml浓度为10mg/ml的茶多酚水溶液，在80～90℃的恒温水浴锅，400～600r/min下机械搅拌8～12h。

13、更进一步限定，氧化石墨烯水溶液的制备方法为：将16.1ml浓硫酸和0.7g天然鳞片石墨粉置于-1～1℃冰水浴中搅拌0.5～1h，然后分批加入4.2g高锰酸钾(kmno4)，待kmno4加入完毕后继续在冰水浴搅拌2.5～3h，搅拌速度600～800r/min；然后置于40～45℃恒温水浴锅中，机械搅拌20～30min，得到红褐色粘稠状液体，继续升温至80～85℃，分批加入49ml去离子水，搅拌20min后，再加入42ml去离子水；将7ml 30％的双氧水加入35ml去离子水稀释，然后加入上述混合物中，溶液立刻呈现金黄色，过滤所得溶液并用45ml浓度为3.7wt％盐酸洗涤12h，再次过滤后将滤饼分散在去离子水中，以600～800r/min的速度搅拌12h，之后将溶液以3500rpm离心30～40min除去未剥离的石墨，保留上清液，将上清液倒入透析袋中，透析一周以除去残留离子，得到氧化石墨烯水溶液。

14、更进一步限定，透析袋截留分子量为8000～14000da。

15、进一步限定，(2)得到的有机悬浮液中hcnts-rgo占hcnts-rgo和sebs总质量的5～30％，sebs质量与甲苯的体积比为1g:(3～20)ml。

16、进一步限定，(2)中sebs与甲苯混合后加热搅拌温度为50～70℃，时间为拌4～6h；加入hcnts-rgo后加热搅拌温度为40～60℃，时间为6～8h。

17、进一步限定，(3)中加热挥发甲苯的温度为40～50℃。

18、进一步限定，(4)中氧等离子体处理功率为50～200w，时间为10～30s。

19、进一步限定，(5)中四氟甲烷等离子体处理功率50～200w，时间为1～3min。

20、本发明的目的之二是提供一种上述制备方法获得的柔性自粘附超疏水光热除冰薄膜。

21、进一步限定，薄膜厚度为10～200μm。

22、有益效果：

23、本发明首先构造螺旋碳纳米管-石墨烯三维结构，利用螺旋碳纳米管支撑在石墨烯层层结构之间，减少因石墨烯堆叠和碳纳米管团聚造成的导热性降低，提高复合材料整体导热性能，实验结果表明，在1个太阳光照下，室温环境该复合结构薄膜能在270s内将温度升高到69℃以上。同时，将薄膜置于-30℃冷板上，相对湿度70±5％，能在16min内融化并去除表面3mm厚的冰层，保持表面温度在18℃左右。

24、此外，本发明通过氧气等离子处理柔性薄膜表面，利用等离子体中的活性成分与表面因电子轰击而断裂的化学键重新结合，残留在表面而活化表面，提高自粘附薄膜贴合性。与未经过等离子处理的柔性薄膜表面相比，粘附力提高了60～140％。进一步的通过四氟甲烷等离子处理柔性薄膜另一层表面，降低固有粗糙度的表面能实现表面超疏水，可降低结冰概率、结冰面积和冰粘附强度，光热协同超疏水共同作用，实现短时间内材料表面完全除冰。

技术特征：

1.一种柔性自粘附超疏水光热除冰薄膜的制备方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，(1)中还原剂为茶多酚水溶液。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，(1)中酸化螺旋碳纳米管的制备方法为：将螺旋碳纳米管和浓硝酸装入高压反应釜中，鼓风干燥箱160℃恒温6～8h，冷却至室温后使用乙醇和去离子水冲洗至中性，得到酸化螺旋碳纳米管。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，(1)中水浴反应温度为80～90℃，时间为8～12h，搅拌速率为400～600r/min。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，(2)得到的有机悬浮液中hcnts-rgo占hcnts-rgo和sebs总质量的5～30％，sebs质量与甲苯的体积比为1g:(3～20)ml。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，(2)中sebs与甲苯混合后加热搅拌温度为50～70℃，时间为拌4～6h；加入hcnts-rgo后加热搅拌温度为40～60℃，时间为6～8h。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，(4)中氧等离子体处理功率为50～200w，时间为10～30s。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，(5)中四氟甲烷等离子体处理功率50～200w，时间为1～3min。

9.一种权利要求1～8任一项所述的制备方法获得的柔性自粘附超疏水光热除冰薄膜。

10.根据权利要求9所述的柔性自粘附超疏水光热除冰薄膜，其特征在于，薄膜厚度为10～200μm。

技术总结
本发明公开了一种柔性自粘附超疏水光热除冰薄膜及其制备方法，属于功能材料及其制备技术领域。本发明首先构造螺旋碳纳米管‑石墨烯三维结构，利用螺旋碳纳米管支撑在石墨烯层层结构之间，减少因石墨烯堆叠和碳纳米管团聚造成的导热性降低，提高复合材料整体导热性能。实验结果表明，在1个太阳光照下，室温环境该薄膜能在270s内将温度升高到69℃以上。利用氧气等离子处理柔性薄膜一侧表面，等离子体中的活性成分与表面因电子轰击而断裂的化学键重新结合，残留在表面而活化表面，提高自粘附薄膜贴合性。进一步通过四氟甲烷等离子处理薄膜另一侧表面，降低固有粗糙度的表面能从而实现表面超疏水，可降低结冰概率、结冰面积和冰粘附强度。

技术研发人员：彭建,芦乔,矫维成,郭红缘,白杰
受保护的技术使用者：成都泰格尔航天航空科技股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/12/2