【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及功能性表面工程领域，具体涉及一种具有表面微纳结构、三层式防/除冰制品的制造方法及应用。
技术介绍
1、结冰现象对交通运输、工业生产等会造成严重影响。现有的防/除冰方法可分为被动方法和主动方法。被动方法包括机械振动、电热和光热除冰，此类方法能耗较大；主动方法是在材料表面制造微纳结构或涂覆纳米材料，使表面呈现超疏水和低黏附特性，从而使表面上的液滴、冰滴易自移除，这类方法无需消耗能源但是效率较低。单一主动或被动防/除冰方法难以满足恶劣环境下全天候、长时间防/除冰的要求。将具有主动防/除冰功能的微纳结构表面与具有光热、电热被动防/除冰功能的材料相结合，制造出兼具主动、被动防/除冰功能的表面具有重要意义。
2、高分子材料是规模化生产具有表面微纳结构的防/除冰制品的理想材料。采用高分子材料制造的具有表面微纳结构的制品可呈现超疏水和低黏附特性，但存在表面微纳结构耐摩擦和耐候性能较低以及低温、高湿环境下超疏水和低黏附特性易失效的问题。纳米碳系材料(如碳纳米管、碳纳米纤维、石墨烯等)具有较高的导电、导热性能，用于制造的薄层状电热元件具有较高的加热效率，可应用于电热防/除冰；纳米碳系材料还具有较高的光热转换效率，在光热防/除冰应用上有很大潜力。但由纳米碳系材料制造的薄层制品的韧性和延展性较差。将高分子材料与纳米碳系材料相结合，可制造出兼具主动、被动防/除冰功能的制品。例如可在高分子材料表面涂覆纳米碳系材料层，使表面呈现高的导热性能和导电性能，但表面上纳米碳系材料层与高分子材料之间的粘接力较弱，耐剥离和耐摩擦性能较差。如何保
技术实现思路
1、针对现有技术中存在的问题，本专利技术的目的是提供一种具有表面微纳结构、三层式防/除冰制品的制造方法。
2、本专利技术的另一目的是提供一种具有表面微纳结构、三层式防/除冰制品的应用。
3、为了达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案。
4、一种具有表面微纳结构、三层式防/除冰制品的制造方法，包括下述三个步骤。
5、(1)制造表面具有微结构阵列的模板，并将模板固定于模具的型腔内；
6、(2)制备纳米碳系材料分散液，并将其喷涂到模具型腔内模板的微结构阵列表面上，形成均匀分布的纳米碳系材料涂层；
7、(3)采用模压成型或注塑的方法，制造具有表面微纳结构、三层式防/除冰制品。
8、作为一种优选，步骤(1)中，制造表面具有微结构阵列的模板的方法为精密铣削或激光刻蚀，所述微结构阵列为微金字塔、微多棱锥或微圆柱阵列。
9、作为一种优选，步骤(2)中，所采用的纳米碳系材料为碳纳米管、纳米炭黑、石墨烯或碳纳米纤维；可对纳米碳系材料进行疏水改性，疏水改性剂为氟硅烷或硅烷偶联剂。
10、作为一种优选，步骤(3)中，模压成型或注塑所采用的高分子材料为热塑性聚氨酯、聚丙烯、聚乙烯、聚碳酸酯、聚苯乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯。
11、作为一种优选，步骤(3)中，采用模压成型制造具有表面微纳结构、三层式防/除冰制品时，将高分子材料薄片放置于模具型腔内喷涂了纳米碳系材料涂层的模板上，加热模具，使高分子材料薄片熔融，在压力作用下熔体充满模腔，经过保压、冷却和定型后，得到具有表面微纳结构、三层式防/除冰制品。
12、作为一种优选，步骤(3)中，采用注塑制造具有表面微纳结构、三层式防/除冰制品时，使用注塑机将高分子材料熔融、混炼成熔体，将熔体注入固定有喷涂了纳米碳系材料涂层的模板的模具型腔内，在充模压力或同时在模具压缩力的作用下，熔体充满模腔，对熔体进行保压、冷却和定型后，得到具有表面微纳结构、三层式防/除冰制品。
13、作为一种优选，步骤(3)中，具有表面微纳结构、三层式高分子材料制品表面上的微结构为凹金字塔、凹多棱锥或圆孔；微结构的特征尺寸和中心距均为10～500μm；在微结构表面上由纳米碳系材料团聚体形成的亚微米或纳米级结构的特征尺寸为5～800nm；沿制品厚度方向分为纳米碳系材料表面层、高分子材料/纳米碳系材料混合层和高分子材料层。
14、本专利技术制造的制品具有表面微纳结构和厚度方向三层结构的原理如下所述。熔体充模过程中，在压力作用下，熔体填充至模板上的微结构阵列流道内，形成制品表面上的微结构。熔体充分浸润模板表面上的纳米碳系材料涂层，并渗入涂层内的空隙中，在局部流场作用下与纳米碳系材料混合，形成具有一定厚度的高分子材料/纳米碳系材料混合层；未与纳米碳系材料混合的熔体形成高分子材料基体层；少部分外露在混合层表面的亚微米或纳米级的纳米碳系材料团聚体形成了纳米碳系材料表面层，与制品表面的微结构一起构成表面微纳结构。
15、本专利技术制造的具有表面微纳结构、三层式防/除冰制品的防/除冰原理如下所述。主动防冰的工作原理是，表面的微纳结构赋予其超疏水、低黏附的特性，使表面上的液滴、冰滴易自移除；液滴与制品表面的接触面积小，困于微纳结构内的空气可提高水滴与表面之间的热阻，有效延长静止在表面上的液滴的结冰时间。被动防/除冰的工作原理是，表面微纳结构具有陷光特性，这使入射太阳光更多地被纳米碳系材料表面层吸收并进行光热转换，使表面层的温度快速提高，并通过具有较高导热性的表面层和混合层将热量传递至表面温度较低的区域，有利于提高制品表面热量分布的均匀性，使表面上的冰滴或冰层快速融化；表面层和混合层具有较高的导电性能，在通直流电时制品表面能够产生焦耳热使表面温度快速升高，达到被动防/除冰的目的。
16、一种具有表面微纳结构、三层式防/除冰制品的应用，利用制品表面微纳结构所呈现的超疏水、低黏附特性进行主动防冰，利用纳米碳系材料表面层和高分子材料/纳米碳系材料混合层的光热和/或电热效应进行被动防冰和融冰。
17、本专利技术具有如下优点。
18、模板表面微结构阵列的制造过程简单，通过改变精密铣削或激光刻蚀的加工参数可以调控微结构的尺寸和分布。
19、无需在模板上加工纳米级结构即可制造具有表面微纳结构的制品，这可提高模板的使用寿命，并使制品易于脱模。
20、具有表面微纳结构、三层式防/除冰制品的制造工序简单且灵活性强，成本低，可规模化生产。
21、具有表面微纳结构、三层式防/除冰制品具有高的主动防冰性能和被动光热、电热防/除冰性能；具有较高的耐磨损性能，表面微纳结构被轻微磨损后仍具有光热、电热融冰性能，甚至融冰所需时间比磨损前的还要短。
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1.一种具有表面微纳结构、三层式防/除冰制品的制造方法，其特征在于，包括下述三个步骤，
2.按照权利要求1所述的一种具有表面微纳结构、三层式防/除冰制品的制造方法，其特征在于，步骤(1)中，制造表面具有微结构阵列的模板的方法为精密铣削加工或激光刻蚀，所述微结构阵列为微金字塔、微多棱锥或微圆柱阵列。
3.按照权利要求1所述的一种具有表面微纳结构、三层式防/除冰制品的制造方法，其特征在于，步骤(2)中，所采用的纳米碳系材料为碳纳米管、纳米炭黑、石墨烯或碳纳米纤维；可对纳米碳系材料进行疏水改性，疏水改性剂为氟硅烷或硅烷偶联剂。
4.按照权利要求1所述的一种具有表面微纳结构、三层式防/除冰制品的制造方法，其特征在于，步骤(3)中，模压成型或注塑所采用的高分子材料为热塑性聚氨酯、聚丙烯、聚乙烯、聚碳酸酯、聚苯乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯。
5.按照权利要求1所述的一种具有表面微纳结构、三层式防/除冰制品的制造方法，其特征在于，步骤(3)中，采用模压成型制造具有表面微纳结构、三层式防/除冰制品时，将高分子材料薄片放置于模具型腔内喷涂了纳米碳系材料涂层
6.按照权利要求1所述的一种具有表面微纳结构、三层式防/除冰制品的制造方法，其特征在于，步骤(3)中，采用注塑制造具有表面微纳结构、三层式防/除冰制品时，使用注塑机将高分子材料熔融、混炼成熔体，将熔体注入固定有喷涂了纳米碳系材料涂层的模板的模具型腔内，在充模压力或同时在模具压缩力的作用下，熔体充满模腔，对熔体进行保压、冷却和定型后，得到具有表面微纳结构、三层式防/除冰制品。
7.按照权利要求1所述的一种具有表面微纳结构、三层式防/除冰制品的制造方法，其特征在于，步骤(3)中，具有表面微纳结构、三层式高分子材料制品表面上的微结构为凹金字塔、凹多棱锥或圆孔；微结构的特征尺寸和中心距均为10～500μm；在微结构表面上由纳米碳系材料团聚体形成的亚微米或纳米级结构的特征尺寸为5～800nm；沿制品厚度方向分为纳米碳系材料表面层、高分子材料/纳米碳系材料混合层和高分子材料层。
8.按照权利要求1所述的一种具有表面微纳结构、三层式防/除冰制品的制造方法，其特征在于，步骤(3)中，熔体充模过程中，在压力作用下，熔体填充至模板上的微结构阵列流道内，形成制品表面上的微结构；熔体充分浸润模板表面上的纳米碳系材料涂层，并渗入涂层内的空隙中，在局部流场作用下与纳米碳系材料混合，形成具有一定厚度的高分子材料/纳米碳系材料混合层；未与纳米碳系材料混合的熔体形成高分子材料基体层；少部分外露在混合层表面的亚微米或纳米级的纳米碳系材料团聚体形成了纳米碳系材料表面层，与制品表面的微结构一起构成表面微纳结构。
9.按照权利要求1所述的一种具有表面微纳结构、三层式防/除冰制品的应用，其特征在于，主动防冰的工作原理是，表面的微纳结构赋予其超疏水、低黏附的特性，使表面上的液滴、冰滴易自移除；液滴与制品表面的接触面积小，困于微纳结构内的空气可提高水滴与表面之间的热阻，有效延长静止在表面上的液滴的结冰时间；被动防/除冰的工作原理是，表面微纳结构具有陷光特性，这使入射太阳光更多地被纳米碳系材料表面层吸收并进行光热转换，使表面层的温度快速提高，并通过具有较高导热性的表面层和混合层将热量传递至表面温度较低的区域，有利于提高制品表面热量分布的均匀性，使表面上的冰滴或冰层快速融化；表面层和混合层具有较高的导电性能，在通直流电时制品表面能够产生焦耳热使表面温度快速升高，达到被动防/除冰的目的。
10.按照权利要求1所述的一种具有表面微纳结构、三层式防/除冰制品的应用，其特征在于，制品采用权利要求1-8中任一项所述一种具有表面微纳结构、三层式防/除冰制品的制造方法制造；利用制品表面微纳结构所呈现的超疏水、低黏附特性进行主动防冰，利用纳米碳系材料表面层和高分子材料/纳米碳系材料混合层的光热和/或电热效应进行被动防冰和融冰。
...【技术特征摘要】
1.一种具有表面微纳结构、三层式防/除冰制品的制造方法，其特征在于，包括下述三个步骤，
2.按照权利要求1所述的一种具有表面微纳结构、三层式防/除冰制品的制造方法，其特征在于，步骤(1)中，制造表面具有微结构阵列的模板的方法为精密铣削加工或激光刻蚀，所述微结构阵列为微金字塔、微多棱锥或微圆柱阵列。
3.按照权利要求1所述的一种具有表面微纳结构、三层式防/除冰制品的制造方法，其特征在于，步骤(2)中，所采用的纳米碳系材料为碳纳米管、纳米炭黑、石墨烯或碳纳米纤维；可对纳米碳系材料进行疏水改性，疏水改性剂为氟硅烷或硅烷偶联剂。
4.按照权利要求1所述的一种具有表面微纳结构、三层式防/除冰制品的制造方法，其特征在于，步骤(3)中，模压成型或注塑所采用的高分子材料为热塑性聚氨酯、聚丙烯、聚乙烯、聚碳酸酯、聚苯乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯。
5.按照权利要求1所述的一种具有表面微纳结构、三层式防/除冰制品的制造方法，其特征在于，步骤(3)中，采用模压成型制造具有表面微纳结构、三层式防/除冰制品时，将高分子材料薄片放置于模具型腔内喷涂了纳米碳系材料涂层的模板上，加热模具，使高分子材料薄片熔融，在压力作用下熔体充满模腔，经过保压、冷却和定型后，得到具有表面微纳结构、三层式防/除冰制品。
6.按照权利要求1所述的一种具有表面微纳结构、三层式防/除冰制品的制造方法，其特征在于，步骤(3)中，采用注塑制造具有表面微纳结构、三层式防/除冰制品时，使用注塑机将高分子材料熔融、混炼成熔体，将熔体注入固定有喷涂了纳米碳系材料涂层的模板的模具型腔内，在充模压力或同时在模具压缩力的作用下，熔体充满模腔，对熔体进行保压、冷却和定型后，得到具有表面微纳结构、三层式防/除冰制品。
7.按照权利要求1所述的一种具有表面微纳结构、三层式防/除冰制品的制造方法，其特征在于，步骤(3)中，具有表面微纳结构、三层式高分子材料制品表面上的微结构为凹金字塔、凹多棱锥或圆孔；微结构的特征尺寸和中心距均为10...
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