光电热超疏水薄膜及制备方法和防结冰与除冰应用与流程

本发明涉及薄膜及制备方法和用途，具体涉及一种光电热超疏水薄膜及制备方法和防结冰与除冰应用。

背景技术：

冰雪是自然界最常见的景象，然而冰雪给我们的生活和生产带来了众多不便和巨大的经济损失。如飞机结冰导致的飞行事故、道路结冰导致的交通安全事故、输电线结冰导致的输电线断裂等灾害；其中2008年中国南方的输电线冰冻灾害导致电力、通信等多部门受害，造成巨大的经济损失；因此解决户外设备表面结冰问题成为户外设备在冬季持久稳定运行的需求。现有的除冰方法如机械除冰、热力除冰、化学试剂除冰等存在能耗高、效率低、使用范围受限、环境不友好等众多缺陷，于是研究者从防结冰的角度出发来防止表面结冰，这貌似成为解决覆冰问题的措施之一。

近年来研究者受自然界荷叶的疏水效应制备的超疏水表面能够在结冰前将过冷液滴驱除，经研究发现由于微纳复合结构与低表面能的共同作用赋予超疏水表面较低的滚动角和较高的接触角，使的液滴在接触表面时能够在外力作用下及时脱离表面；同时也发现液滴在该表面上处于cassie状态，微纳复合结构内的空气穴能够减弱壁面与液滴之间的传热，从而使液滴在该表面具有较长的结冰延迟时间，因此该表面具有一定的防结冰效果。但是后期研究也发现该表面一旦结冰后冰会“钉扎”在壁面，具有较高的粘附力难以除冰；同时该表面在经过多次结冰循环后表面微纳复合结构会被破坏，其疏水性能被破坏，这成为限制超疏水表面发展的瓶颈。除此研究者也受猪笼草捕食原理制备的润滑表面，发现固定在微纳复合结构内的润滑油具有一定的疏冰效果，但是多次结冰循环后该表面的润滑剂会流失以及润滑剂的大量使用也会造成环境污染问题，从而限制了该表面的发展和工程应用。

综上发现，传统的除冰方法能够解决结冰带来的难题，但是该方法具有能耗高、效率低、使用范围受限等众多缺陷，并且化学试剂的大量使用会污染环境。而近几年开发的防结冰表面在一定程度上能够减缓表面的结冰，但是该表面存在耐久性差、环境污染等缺陷，且一旦结冰后超疏水表面的钉扎效应会造成更大的除冰难题。因此为了保证户外设备在低温环境下的使用，需要开发出一种能够在户外持久稳定运行的具有防结冰与除冰功能的表面。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是提供一种光电热超疏水薄膜及制备方法和防结冰与除冰应用。

本发明的技术方案是，一种光电热超疏水薄膜的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一、将pdms和固化剂按照一定质量比，剧烈搅拌得到组分a；将一定质量的光热材料加入组分a，剧烈搅拌混合得到组分b；

步骤二、将组分b倾倒于具有微结构的模具中，静止固化，随后在不同加热温度条件下固化一定时间，直至完全固化得到光热超疏水薄膜；将光热超疏水薄膜与模具进行分离，获得表面具有微结构的光热超疏水薄膜；

步骤三、将一定质量的电热材料mwcnts分散在一定体积的无水乙醇中，形成悬浮液c；

步骤四、利用喷笔在一定压力下将悬浮液c均匀喷涂在表面具有微结构的光热超疏水薄膜表面，使微结构表面形成一层纳米结构，得到耦合光热/电热/超疏水效应的光电热超疏水薄膜；

步骤五、对光电热超疏水薄膜进行硅烷化处理，以降低薄膜的表面能，使其拥有较好的疏水性能。

根据本发明所述的一种光电热超疏水薄膜的制备方法的优选方案，光热材料采用三氧化二钛ti2o3。

根据本发明所述的一种光电热超疏水薄膜的制备方法的优选方案，所述电热材料采用碳纳米管或炭黑。优选多壁碳纳米管mwcnts。

根据本发明所述的一种光电热超疏水薄膜的制备方法的优选方案，步骤五对光电热超疏水薄膜进行硅烷化处理，具体为将光电热超疏水薄膜放入稀释后的全氟癸基三甲氧基硅烷溶液中进行硅烷化处理。

根据本发明所述制备方法制备得到的一种光电热超疏水薄膜。

根据本发明所述制备方法制备得到的一种光电热超疏水薄膜在防结冰与除冰物体表面的应用。

利用本发明所述的一种光电热超疏水薄膜用于防结冰与除冰物体表面，具有优异的防结冰性能和除冰性能，可广泛应用于户外设备表面，用以解决覆冰难题。

本发明制备的薄膜由于超疏水表面的疏水特性，能够降低表面对水的粘附力，使表面液滴在结冰前自动脱离表面；同时超疏水效应可以延长表面过冷液滴的结冰时间，具有一定的结冰延迟效果，加之薄膜内光热材料在自然光作用下产生的热量，进一步增强了该表面的结冰延迟效果。当在表面结冰时由于薄膜内含有光热材料使得薄膜在自然光作用下具有一定的光热效应，其光照产生的热量可使薄膜表面的冰层融化，使冰固接触面转变为冰-液-固接触面，降低冰与壁面的粘附力，使未融化的冰层在外力作用下脱离，达到除冰效果。在极端恶劣环境条件下，光照产生的热量不足以使冰层融化时，可以利用薄膜内的电热材料，在低电压作用下可在短时间内产生大量的热量使表面接触区域的冰层融化达到快速除冰的效果。

由于该薄膜的除冰过程是光热效应和电热效应产生的热量使冰固接触面的冰融化成为水充当润滑剂，解决润滑表面润滑剂损失的难题。而融化的水全部嵌入在冰和壁面之间成为润滑剂，因此避免冰与壁面微结构的直接接触，进而避免冰在脱离过程中与壁面之间的横向剪切，减缓了冰与壁面之间的横向剪切力，从而保护壁面微纳结构不被破坏。

本发明制备方法简单，应用范围广泛，且该薄膜能够减缓传统超疏水表面多次使用后微结构破坏以及润滑表面润滑剂损失的缺陷。薄膜耦合超疏水效应、光热效应、电热效应于一体的，在表面结冰前由于超疏水效应使过冷液滴及时脱离表面，具有一定的防结冰功能；并且由于超疏水效应与光热效应的综合作用使得表面具有更强的延迟结冰效果；在结冰后由于光热效应产生的热量使冰固接触面转变为冰-液-固接触面，融化的水充当润滑剂，达到除冰的效果。而在极端恶劣环境条件下，该薄膜又结合传统热能除冰的优势利用电热效应在低电压作用下达到快速、全面除冰的效果，从而解决在不同环境条件下户外设备表面结冰不能长期稳定运行的难题。

本发明的有益效果是：

本发明制备一种耦合光热效应、电热效应、超疏水效应与一体的功能性薄膜，具有防结冰和除冰功能，能够在低电压作用下达到快速、全面除冰的效果，制备方法简单，应用范围广泛，首次实现了主动光热除冰、电热除冰与超疏水防覆冰的结合，解决了传统超疏水表面多次结冰循环后表面微纳结构被破坏以及润滑表面润滑剂损失与蒸发带来寿命短的难题。本发明可广泛应用在航空、电力、通信、化工等领域。

附图说明

图1是本发明所述的一种光电热超疏水薄膜的制备方法流程图。

图2是按实例2方法制作不同光热材料含量的光热超疏水薄膜静态接触角和滚动角性能图。

图3是按本实例2方法制作不同光热材料含量的光热超疏水薄膜光热温升性能图。

图4是本发明所述的光热超疏水薄膜与纯超疏水薄膜20μl单液滴的融冰过程对比图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

实施例1.一种光电热超疏水薄膜的制备方法，包括如下步骤：

步骤一、将pdms和固化剂按照一定质量比，剧烈搅拌得到组分a；将一定质量的光热材料加入组分a，剧烈搅拌混合得到组分b；光热材料与pdms的质量比为0.1～0.5:1。光热材料采用ti2o3/三氧化二钛。

步骤二、将组分b倾倒于具有微结构的模具中，静止固化，随后在不同加热温度条件下固化一定时间，直至完全固化得到光热超疏水薄膜；将光热超疏水薄膜与模具进行分离，获得表面具有微结构的光热超疏水薄膜。

步骤三、将一定质量的电热材料分散在一定体积的无水乙醇中，形成悬浮液c；所述电热材料采用碳纳米管或炭黑。优选多壁碳纳米管mwcnts。

步骤四、利用喷笔在一定压力下将悬浮液c均匀喷涂在表面具有微结构的光热超疏水薄膜表面，使微结构表面形成一层纳米结构，得到耦合光热/电热/超疏水效应的光电热超疏水薄膜。

步骤五、对光电热超疏水薄膜进行硅烷化处理，具体为将光电热超疏水薄膜放入稀释后的全氟癸基三甲氧基硅烷溶液中进行硅烷化处理，以降低薄膜的表面能，使其拥有较好的疏水性能。

实施例2、一种光热超疏水薄膜的制备方法，包括如下步骤：

称取10gpdms和1g固化剂，剧烈搅拌混合得到组分a；随后称取1.22g三氧化二钛ti2o3，加入到组分a中充分搅拌获得质量比为10％的pdms光热溶剂。

将得到的光热溶剂倒入有一定微结构的磨具中，先常温固化1h，随后放在石墨加热板，并控制加热板温度为30、60、90、120℃条件下各固化0.5h；固化后与磨具分离可得到表面具有微结构的光热超疏水薄膜。

为了降低薄膜表面能，将薄膜放入稀释后的全氟癸基三甲氧基硅烷溶液中进行硅烷化处理，最后获得具有较低表面能的光热超疏水薄膜。

按实例2方法制作不同光热材料含量的光热超疏水薄膜静态接触角和滚动角如图2所示。其中静态接触角和滚动角由表面接触角测量仪获得，光源为模拟太阳光(氙灯)，光照强度为1kw/m²。制备的薄膜接触角均高于150°，其滚动角小于10°，表面材料具有优异的疏水性能。

实施例2光热效应是因为三氧化二钛的存在，电热效应是碳纳米管产生，超疏水效应有以下几个方面产生：pdms材料本身疏水，加微结构就会达到超疏水的效果；为微结构的超疏水表面喷涂碳纳米管行为纳米结构，微纳复合结构强化超疏水；低表面能处理再次强化超疏水。

按本实例2方法制作不同光热材料含量的光热超疏水薄膜光热温升性能如图3所示。光源为模拟太阳光(氙灯)，光照强度为1kw/m²，其光热温升性能表明光热薄膜具有良好的光热响应，能在短时间内升温，其最大温差可达20℃。

按本实例2方法制作不同光热材料含量的光热超疏水薄膜其除冰性能如图4所示。(a)为纯pdms基底，无光热材料；(b)为含有10％ti2o3光热材料的光热超疏水薄膜。其中定义打开光源时为0时刻，含有光热材料的光热超疏水薄膜其光照23s左右冰固接触面的冰开始融化，光照120s左右其表面的液滴完全融化。而没有光热材料的超疏水薄膜其光照120s后冻结液滴尚未融化，证明光热除冰的可行性。

实施例3、一种光电热超疏水薄膜的制备方法，包括如下步骤：

称取10gpdms和1g固化剂，剧烈搅拌混合得到组分a；随后称取1.22g三氧化二钛ti2o3，加入到组分a中充分搅拌获得质量比为10％的pdms光热溶剂。

将得到的光热溶剂倒入有一定微结构的磨具中，先常温固化1h，随后放在石墨加热板，并控制加热板温度为30、60、90、120℃条件下各固化0.5h；固化后与磨具分离可得到表面具有微结构的光热超疏水薄膜。

称取1.22g多壁碳纳米管分散在100ml无水乙醇中，为了使其均匀分散，可以加入一定质量的分散剂，并进行超声处理形成均匀的悬浮液c；随后利用喷笔在一定压力条件下将悬浮液c均匀喷涂在具有微结构的光热超疏水薄膜表面，使微结构表面形成一层纳米结构，自然干燥后得到耦合光热/电热/超疏水效应的光电热超疏水薄膜。

为了降低薄膜表面能，将薄膜放入稀释后的全氟癸基三甲氧基硅烷溶液中进行硅烷化处理，最后获得具有较低表面能的光电热超疏水薄膜。

实施例4、根据实施例1、3所述制备方法制备得到的光电热超疏水薄膜。

实施例5、利用实施例4所述的一种光电热超疏水薄膜在防结冰与除冰物体表面的应用。

将一定质量的光热材料、电热材料混合，均匀分散在溶剂当中形成悬浮液，制备出光电热涂料；利用喷笔控制其喷涂压力将悬浮液喷涂在户外设备表面形成涂层，由于微纳颗粒的相互组合以及含有低表面能溶剂的共同作用赋予涂层超疏水效应，因此可以制备出在户外设备表面大面积使用的光电热超疏水涂料。

以上所述实施例仅为本发明的一部分实施例，而并非本发明可行实施的全部实施例。对于本领域一般技术人员而言，在不脱离本发明上述技术思想的情况下作出的任何无创造性的改动，都应当被认为包含在本发明的权利要求保护范围之内。