一种柔性光热超疏水复合防冰薄膜及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种柔性光热超疏水复合防冰薄膜及其制备方法，涉及防除冰技术领域包括光热疏水层，所述光热疏水层包括石墨烯纳米墙层和金纳米颗粒层，金纳米颗粒层位于石墨烯纳米墙层的上表面或下表面。通过石墨烯纳米墙层和金纳米颗粒层的结合，能够进一步的提高石墨烯纳米墙本身具有的光热效果，使得到的光热疏水层具有较高的光热转化效率，有效达到防冰除水的效果；本结构的光热疏水层上设置有凸起结构，在防磨损、保护本结构的基础上，还能够进一步的提高本结构的限光效果，提高光热效率。提高光热效率。提高光热效率。

【技术实现步骤摘要】
一种柔性光热超疏水复合防冰薄膜及其制备方法


[0001]本专利技术涉及防除冰
，具体涉及一种柔性光热超疏水复合防冰薄膜及其制备方法。

技术介绍

[0002]传统的主动除冰方式包括化学除冰、机械除冰和热力除冰，综合考虑除冰效率、人工成本、环境污染等因素，热力除冰是目前较为实用的主流方式。热力除冰主要利用电加热装置或高温尾气进行融冰消除，一般需要配备复杂的能源转化系统，在实际使用时，需要消耗较多的能耗、且除冰时间较长。
[0003]近年来通过对结冰机理的深入研究，功能型防冰涂层作为被动防冰方式逐渐进入人们的视线，其通常用来抑制、延缓界面冰晶的形成，减少界面覆冰的粘附力。该技术由于能耗低、环境友好，可以拟补热力除冰的部分缺陷。例如：
[0004](1)低表面能微纳超疏水表面可以在凝结阶段实现水滴脱除。Mishchenko等通过对比15μL水滴在亲水铝、疏水氟化硅和超疏水氟化硅表面倾斜撞击过程，证明
‑
25℃以上超疏水界面可以有效抑制冰晶的形成。
[0005](2)基于氟离子聚合物的防冰涂层可以延缓冰的成核。Aizenberg等制备了超疏水聚吡咯涂层(SLIPS
‑
Al)，该涂层通过表面释放的氟润滑油聚合物降低水滴冰点，从而抑制界面相变发生。
[0006](3)利用液体润滑剂表面来减少覆冰黏附。中科院化学所王健君等设计了一种微孔交联吸水聚丙烯酸(PAA)防冰表面，通过PAA吸水形成水润滑层，将表面冰黏附力降低为30kPa。
[0007]上述这些方法从不同角度促进了界面防冰的发展，但仍存在各种弊端和挑战。对于微纳超疏水界面，高韦伯数下水滴可能会进入表面微结构，挤出截留空气层，导致浸润状态的改变。润滑油和聚合物浸润表面则会随着时间脱离降解，不适合长期使用。因此，如何利用清洁能源实现长效防冰和有效除冰，成为功能型界面设计亟待解决的重要问题。

技术实现思路

[0008]本专利技术的一个目的在于提供一种柔性光热超疏水复合防冰薄膜，通过石墨烯纳米墙层和金纳米颗粒层的结合，能够得到更优的光热效果，进而达到更好的防冰和除冰效果。
[0009]该目的采用以下技术方案实现：包括光热疏水层，所述光热疏水层包括石墨烯纳米墙层和金属纳米颗粒层，金属纳米颗粒层位于石墨烯纳米墙层的上表面或下表面。
[0010]或，包括两层金属纳米颗粒层，两层金属纳米颗粒层分别位于石墨烯纳米墙层的上表面和下表面。在本专利技术中，金属纳米颗粒层可以为铂纳米颗粒或银纳米颗粒或金纳米颗粒中的一种或多种，其中本专利技术中，金属纳米颗粒层优选的为金纳米颗粒。铂纳米颗粒和银纳米颗粒也能达到较好的效果，在实际使用时，从制备工艺以及长期使用的角度考虑，金纳米颗粒最优。
[0011]在本专利技术中，当太阳光照射光热疏水层时，光热疏水层的光热效应将产生高效的光热转换，水滴通过界面热交换产生物性变化(如粘性、界面张力、密度等)或热物理变化(相变等)，最终实现除冰的目的。由于光热疏水层中的石墨烯纳米墙层具有分层结构，因此光热疏水层在保证高光热转化效率的同时，可利用疏水特性保持表面的自清洁，防止水滴再次冻结。
[0012]其次，石墨烯纳米墙层和金纳米颗粒层的结合能够进一步的提高光热疏水层的光热性。金纳米颗粒与石墨烯纳米墙的结合，金纳米颗粒的局域限光效应可以增加近红外波长的吸收，石墨烯墙的树状结构增大了凹坑的不规则程度，同时增大了凹坑的表面积，因此当光线照射在本结构上时，光线不断的在凹坑之间进行反射，更多的光源会汇聚在本结构上，进而产生更多的光热转化，提高本结构的限光效率，加速冰的融化和水的排除。
[0013]因此，本结构通过石墨烯纳米墙层和金纳米颗粒层的结合，能够得到光热效果更好的薄膜，在界面防冰领域中，更适合长期使用。
[0014]在此基础上，本结构的石墨烯纳米墙层和金纳米颗粒层上均设置有若干凸起结构，凸起结构为锥状凸起或柱状凸起或曲面凸起中的一种或多种。在制备工艺的角度上，本申请优选的凸起结构为锥状凸起。通过设置凸起结构，不仅能够进一步的提高本结构的光热效率，同时还可以对本结构进行保护。
[0015]具体的，相邻的凸起结构之间进一步的形成凹坑，当光线照射在本结构上时，相邻凸起结构之间的凹坑进一步的增加光线在凹坑之间的反射，进而进一步的提高本结构的限光效果。
[0016]其次，本结构还能解决传统纳米疏水结构及材料在工程应用中易刮擦失效的问题，当本结构受到外力磨损时，首先受到磨损的为凸起部分，凸起部分受到磨损，但不影响凹陷部分的光热效果和疏水效果，更有利于长期使用。
[0017]在此基础上，本结构的凸起结构的高度为10μm，石墨烯纳米墙层的厚度为100nm
‑
1um，金纳米颗粒粒径为2
‑
10nm，三者分别形成微米尺度、百纳米尺度以及十纳米尺度的限光结构，三者可分别针对太阳光谱的不同波段，从宽谱吸收的角度进一步的提高光热转化效率。
[0018]更进一步的，防冰薄膜还包括PMMA层，所述PMMA层位于光热疏水层的下表面，通过PMMA层作为本结构的柔性基底，在使用时，通过PMMA层可直接将本薄膜粘附在所需位置处，同时当所需位置的表面为异形结构时，PMMA层以及光热疏水层的柔性能够有效解决异形结构表面贴附的问题，进而能增加本结构的适用范围，进一步的提高使用效率。
[0019]在上述基础上，本专利技术的另一个目的在于提供一种柔性光热超疏水复合防冰薄膜的制备方法，包括以下步骤：
[0020]在硅基底表面上制备所需要的二维或三维结构；
[0021]在二维或三维结构表面制备光热疏水层；
[0022]将PMMA溶液旋涂至光热疏水层表面，加热10min待完全冷却后得到复合防冰薄膜；
[0023]将复合防冰薄膜从硅基底表面上撕下，转移至目标基底；目标基底可选用铝合金、钛合金、硅、蓝宝石、K9玻璃中的一种。
[0024]其中，制备光热疏水层包括：
[0025]在二维或三维结构表面溅射沉积厚度为2nm
‑
8nm的金纳米颗粒层；
[0026]在金纳米颗粒层表面制备石墨烯纳米墙层；
[0027]或，
[0028]在二维或三维结构表面制备石墨烯纳米墙层；
[0029]在石墨烯纳米墙层表面溅射沉积厚度为2nm
‑
8nm金纳米颗粒层；
[0030]或，
[0031]在二维或三维结构表面溅射沉积金纳米颗粒层；
[0032]在金纳米颗粒层表面制备石墨烯纳米墙层；
[0033]在石墨烯纳米墙层表面溅射沉积金纳米颗粒层。
[0034]其中，在气体流量比为CH4:H2＝7sccm:7sccm，射频功率为200W的条件下，通过气相沉积制备厚度为100nm
‑
1um的石墨烯纳米墙层。
[0035]在本专利技术中，在硅基底表面上制备所需要的二维或三维结构是利用化学刻蚀方法或光刻方法对硅基底表面进行处理。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种柔性光热超疏水复合防冰薄膜，其特征在于，包括光热疏水层，所述光热疏水层包括石墨烯纳米墙层(3)和金属纳米颗粒层(4)，金属纳米颗粒层(4)位于石墨烯纳米墙层(3)的上表面或下表面。2.根据权利要求1所述的一种柔性光热超疏水复合防冰薄膜，其特征在于，包括两层金属纳米颗粒层(4)，两层金属纳米颗粒层(4)分别位于石墨烯纳米墙层(3)的上表面和下表面。3.根据权利要求1所述的一种柔性光热超疏水复合防冰薄膜，其特征在于，石墨烯纳米墙层(3)和金属纳米颗粒层(4)上均设置有若干凸起结构，凸起结构为锥状凸起或柱状凸起或曲面凸起中的一种或多种。4.根据权利要求1
‑
3任一所述的一种柔性光热超疏水复合防冰薄膜，其特征在于，金属纳米颗粒层(4)为金纳米颗粒层。5.根据权利要求3所述的一种柔性光热超疏水复合防冰薄膜，其特征在于，凸起结构的高度为10μm。6.根据权利要求1所述的一种柔性光热超疏水复合防冰薄膜，其特征在于，还包括PMMA层(2)，所述PMMA层(2)位于光热疏水层的下表面。7.根据权利要求1所述的一种柔性光热超疏水复合防冰薄膜，其特征在于，石墨烯纳米墙层(3)的厚度为100nm
‑
1um。8.根据权利要求1所述的一种柔性光热超疏水复合防冰薄膜，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：周全，周江宁，殷一民，陈爽，齐新华，
申请(专利权)人：中国空气动力研究与发展中心设备设计与测试技术研究所，
类型：发明
国别省市：