CN112852289A - 一种具有光热效应的超疏水防冰除冰涂层及其制备方法 - Google Patents

一种具有光热效应的超疏水防冰除冰涂层及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有光热效应的超疏水防冰除冰涂层及其制备方法，从墨囊中制备具有光热效应的黑色素纳米粒子；用全氟葵基三乙氧基硅烷疏水化改性SiO2纳米粒子，制备疏水的SiO2纳米粒子；将黑色素纳米粒子与聚二甲基硅氧烷共混制备喷涂溶液，然后喷涂于基质上制备光热涂层；随后将疏水化处理的SiO2纳米粒子分散液喷涂于光热涂层表面得到有光热除冰性能的超疏水防冰涂层。涂层展现出优异的光热除冰性能和超疏水抗冰性能。本发明采用简单的喷涂的方法即可制备，与传统及其制备方法相比制备工艺简单，方法易行，成本低廉，适合在行业内推广使用。

Description

一种具有光热效应的超疏水防冰除冰涂层及其制备方法
技术领域
本发明属于光热超疏水材料技术领域，具体涉及一种具有光热效应的超疏水防冰除冰涂层及其制备方法
背景技术
冰通过结霜、冻雨、凝结冻结在电线、飞机、道路等基础设施和工业产品上形成和积累是一种自然现象，可能会造成严重的安全问题和巨大的经济损失。例如，2008年1～2月份，受北方南下冷空气和南方暖湿气流的共同影响，在我国南方地域多省，遭受了历史罕见的冰冻天气的影响。冰的堆积增加了输电线的重量从而引起断线，电塔扭曲倒塌，对电力系统造成了严重的伤害，造成的经济损失高达1100多亿元，同时超过1亿多的人口受到影响。针对这一问题，目前采用的防冰涂层大多为超疏水材料，超疏水涂层具有一定的防冰效果，但长期暴露在外界苛刻的条件下时仍然会有冰的形成。
基于此，制备出了一种具有光热效应的超疏水表面，能够有效的将防冰和除冰结合起来，提高了涂层的防冰和除冰效果。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有光热效应的超疏水防冰除冰涂层及其制备方法，解决了现有技术中存在的防冰涂层在温度极低的状态下，防冰能力不足的问题，该制备方法简易可行、可大面积生产，通过该方法制备的超疏水涂层具有高效的光热性能，能够有效的防冰和除冰。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种具有光热效应的超疏水防冰除冰涂层及其制备方法，它是按以下步骤进行：
一种具有光热效应的超疏水防冰除冰涂层及其制备方法，包括以下步骤：
S1、从墨囊中提取具有光热效应的黑色素纳米粒子；
S2、用全氟葵基三乙氧基硅烷疏水化改性SiO2纳米粒子；
S3、将黑色素纳米粒子与聚二甲基硅氧烷共混制备喷涂溶液，然后喷涂于基质上制备光热涂层；
S4、随后将疏水化处理的SiO2纳米粒子分散液喷涂于光热涂层表面得到光热超疏水涂层。
步骤S1中，将墨囊进行挤压得到墨鱼汁，墨鱼汁在8000-10000rpm的条件下离心10-30min，然后用去离子水离心洗涤，收集得到的产物烘干得到黑色素纳米粒子。
步骤S2具体为：
S201、将SiO2纳米粒子加入无水乙醇、氨水和去离子水的混合液中超声得到SiO2纳米粒子分散液。
S202、然后将全氟葵基三乙氧基硅烷逐滴加入到SiO2纳米粒子分散液，常温下反应24-48h。
S203、最后将反应液于转速为8000-10000rpm的条件下离心10-30min，再用无水乙醇离心清洗，收集产物60-80℃烘干备用。
步骤S3具体为：
S301、将黑色素纳米粒子和PDMS以一定质量比加入乙酸乙酯当中常温搅拌形成喷涂溶液
S302、然后将喷涂溶液喷涂于基材上，高温固化得到光热涂层。
步骤S301中，所述黑色素纳粒子与PDMS的质量比为：(3～0.25)﹕1；搅拌时间为1h～2h；乙酸乙酯的用量为20g；
步骤S302中喷涂过程中喷嘴与基质的距离为10cm～20cm；所述基材为玻璃片；所述固化温度为60℃～80℃；所述固化的时间为2h～3h。
步骤S4具体为：
S401、将疏水化处理的SiO2纳米粒子以一定的质量分数超声分散于乙酸乙酯中形成二氧化硅纳米粒子分散液
S402、然后喷涂于S3中所制备的光热涂层，干燥得到超疏水光热涂层。
步骤S401中，SiO2纳米粒子质量分数为1％，超声时间为1h～2h；乙酸乙酯的用量为10g。
步骤S402中，喷涂过程中喷嘴与基质的距离为10cm～20cm；所述干燥温度为60℃～80℃；所述干燥时间为2h～3h。
本发明具体应用于抗冰和除冰领域。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1)本发明首先在基质上喷涂利用生物质材料黑色素纳米粒子与聚二甲基硅氧烷硅氧烷的混合溶液制备了光热超疏水涂层，随后通过在光热涂层上喷涂疏水化处理的二氧化硅纳米粒子制备了具有光热性能的超疏水防冰除冰涂层。在此过程中，黑色素纳米粒子构筑微米级的粗糙度，同时提供光热转换性能。聚二甲基硅氧烷具有粘附性的特点增加了纳米粒子之间以及与基底之间的牢度。疏水化改性的二氧化硅纳米粒子构筑了制备超疏水涂层所必需的纳米级粗糙度同时降低了涂层的表面能，实验结果表明所制备的涂层有着优异的超疏水性能，涂层的水滴接触角高达160.3°，滚动角低至1°；
2)本发明中，利用黑色素纳米粒子高效的光热转换性能，将实现超疏水防冰以及光热除冰相结合。在未结冰之前利用疏水性能防止表面结冰，在极端条件下涂层表面形成冰后，采用光照射，使涂层表面温度快速上升到一个较高值，将冰层融化，从而达到除冰的效果。本发明制得的超疏水涂层在抗冰和除冰领域具有极大的潜在应用价值；
3)本发明提供的一种具有光热效应的超疏水防冰除冰涂层，采用简单的喷涂的方法即可制备，与传统及其制备方法相比制备工艺简单，方法易行，成本低廉，可实现大面积的工业化生产。
附图说明
图1为本发明实施例4涂层表面SEM图和接触角图，
图2为本发明实施例4获得的光热超疏水涂层在一个太阳光强照射下平衡温度的热红外照片图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
本发明提供了一种具有光热效应的超疏水防冰除冰涂层。首先，将从墨囊当中制备的黑色素纳米粒子与聚二甲基硅氧烷硅氧烷的混合溶液喷涂与基质表面制备了光热涂层；然后，将疏水化处理的二氧化硅纳米粒子分散液喷涂于所制备的光热涂层表面制备了光热超疏水涂层。所制备的涂层在太阳光强为一个太阳时，其表面温度可以高达67.6℃，这表明涂层在光照条件下表面温度能够快速上升，从而快速地融化掉涂层表面的冰，达到光热除冰的目的。该涂层表面水滴的接触角高达160.3°，滚动角低至1°。这表明涂层还具有优异的防冰性能。
本发明一种具有光热效应的超疏水防冰除冰涂层，包括以下步骤：
S1、从墨囊中制备具有光热效应的黑色素纳米粒子。
将墨囊进行挤压得到墨鱼汁，在8000-10000rpm的条件下离心10-30min，然后用去离子水离心洗涤，收集得到的产物烘干得到黑色素纳米粒子。
S2、用全氟葵基三乙氧基硅烷逐滴加入到均匀的SiO2分散液中，制备具有疏水性能的SiO2纳米粒子。
将SiO2纳米粒子加入无水乙醇、氨水和去离子水的混合液中超声得到SiO2纳米粒子分散液；然后将全氟葵基三乙氧基硅烷逐滴加入到SiO2纳米粒子分散液，常温下反应24-48h；最后将反应液于转速为8000-10000rpm的条件下离心10-30min，再用无水乙醇离心清洗，收集产物60℃烘干备用。
S3、将黑色素纳米粒子与聚二甲基硅氧烷共混制备喷涂溶液，然后喷涂于基质上制备光热涂层。
将黑色素纳米粒子和PDMS以一定质量比加入乙酸乙酯当中常温搅拌形成喷涂溶液,然后将喷涂溶液喷涂于基质上，高温固化得到光热涂层。
黑色素纳米粒子与PDMS的质量比为：(3～0.25)﹕1；搅拌时间为1h～2h；乙酸乙酯的用量为20g；喷涂过程中喷嘴与基质的距离为10cm～20cm；所述基材为玻璃片；所述固化温度为60℃～80℃；所述固化的时间为2h～3h。
S4、随后将疏水化处理的SiO2纳米粒子分散液喷涂于光热涂层表面得到光热超疏水涂层。
将疏水化处理的SiO2纳米粒子以一定的质量分数超声分散于乙酸乙酯当中，然后喷涂于S3中所制备的光热涂层，干燥得到超疏水光热涂层。
SiO2纳米粒子质量分数为1％，超声时间为1h～2h；乙酸乙酯的用量为10g；喷涂过程中喷嘴与基质的距离为10cm～20cm；所述干燥温度为60℃～80℃；所述干燥时间为2h～3h。
本发明一种具有光热效应的超疏水防冰除冰涂层，在一个太阳光强照射下它的表面温度可以到达61.2-68.1℃，其表面上的水滴接触角为156.4°～160.3°，滚动角为1.0°～3.2°。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种具有光热效应的超疏水防冰除冰涂层及其制备方法，包括以下步骤：
S1、首先称取0.05g的黑色素纳米粒子分散在20g的乙酸乙酯溶液中，然后依次加入PDMS预聚体A组分0.2g和固化剂B组分0.02g，常温下搅拌2h。
S2、然后将步骤1当中的溶液，以喷嘴与基质的距离为10cm喷涂于玻璃片上，在60℃高温固化2h。
S3、称取0.1g的疏水化改性的二氧化硅分散在10g的乙酸乙酯溶液中，然后以喷嘴与基质的距离为10cm喷涂于玻璃片上，在60℃高温干燥2h。
该具有光热除冰性能的超疏水防冰涂层，在一个太阳光强照射下它的表面温度可以到达61.2℃，其表面上的水滴接触角为156.4°，滚动角3.2°。
实施例2
一种具有光热效应的超疏水防冰除冰涂层及其制备方法，包括以下步骤：
S1、首先称取0.1g的黑色素纳米粒子分散在20g的乙酸乙酯溶液中，然后依次加入PDMS预聚体A组分0.2g和固化剂B组分0.02g，常温下搅拌2.25h。
S2、然后将步骤1当中的溶液，以喷嘴与基质的距离为13cm喷涂于玻璃片上，在65℃高温固化2.25h。
S3、称取0.1g的疏水化改性的二氧化硅分散在10g的乙酸乙酯溶液中，然后以喷嘴与基质的距离为13cm喷涂于玻璃片上，在65℃高温干燥2.25h。
该具有光热除冰性能的超疏水防冰涂层，在一个太阳光强照射下它的表面温度可以到达63.8℃，其表面上的水滴接触角为156.9°滚动角为2.8°。
实施例3
一种具有光热效应的超疏水防冰除冰涂层及其制备方法，包括以下步骤：
S1、首先称取0.2g的黑色素纳米粒子分散在20g的乙酸乙酯溶液中，然后依次加入PDMS预聚体A组分0.2g和固化剂B组分0.02g，常温下搅拌2.5h。
S2、然后将步骤1当中的溶液，以喷嘴与基质的距离为15cm喷涂于玻璃片上，在70℃高温固化2.5h。
S3、称取0.1g的疏水化改性的二氧化硅分散在10g的乙酸乙酯溶液中，然后以喷嘴与基质的距离为15cm喷涂于玻璃片上，在70℃高温干燥2.5h。
该具有光热除冰性能的超疏水防冰涂层，本发明一种具有光热除冰性能的超疏水防冰涂层，在一个太阳光强照射下它的表面温度可以到达66.1℃，其表面上的水滴接触角为158.4°滚动角为2.1°。
实施例4
一种具有光热效应的超疏水防冰除冰涂层及其制备方法，包括以下步骤：
S1、首先称取0.4g的黑色素纳米粒子分散在20g的乙酸乙酯溶液中，然后依次加入PDMS预聚体A组分0.2g和固化剂B组分0.02g，常温下搅拌2.75h。
S2、然后将步骤1当中的溶液，以喷嘴与基质的距离为18cm喷涂于玻璃片上，在75℃高温固化2.75h。
S3、称取0.1g的疏水化改性的二氧化硅分散在10g的乙酸乙酯溶液中，然后以喷嘴与基质的距离为18cm喷涂于玻璃片上，在75℃高温干燥2.75h。
该具有光热除冰性能的超疏水防冰涂层，本发明一种具有光热除冰性能的超疏水防冰涂层，在一个太阳光强照射下它的表面温度可以到达67.6℃，其表面上的水滴接触角为160.3°滚动角为1°。
实施例5
一种具有光热效应的超疏水防冰除冰涂层及其制备方法，包括以下步骤：
S1、首先称取0.6g的黑色素纳米粒子分散在20g的乙酸乙酯溶液中，然后依次加入PDMS预聚体A组分0.2g和固化剂B组分0.02g，常温下搅拌3h。
S2、然后将步骤1当中的溶液，以喷嘴与基质的距离为20cm喷涂于玻璃片上，在80℃高温固化3h。
S3、称取0.1g的疏水化改性的二氧化硅分散在10g的乙酸乙酯溶液中，然后以喷嘴与基质的距离为20cm喷涂于玻璃片上，在80℃高温干燥3h。
该具有光热除冰性能的超疏水防冰涂层，本发明一种具有光热效应的超疏水防冰除冰涂层及其制备方法，在一个太阳光强照射下它的表面温度可以到达68.1℃，其表面上的水滴接触角为158.8°滚动角为1.5°。
请参阅图1为本发明实施例4涂层表面SEM图和接触角图，图2为本发明实施例4获得的光热超疏水涂层在一个太阳光强照射下平衡温度的热红外照片图。所制备的具有光热除冰性能的超疏水超疏水涂层，其表面水滴的接触角高达160.3°，表明其具有优异的抗冰性能。同时其表面温度在一个太阳光强照射下能快速上升到67.6℃，表明涂层能够通过热效应加速表面冰的融化。本发明通过连续的喷涂黑色素纳米粒子和疏水化处理的二氧化硅纳米粒子制备了一种具有光热效应的超疏水防冰除冰涂层。本发明工艺简单易操作，可大面积生产。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有光热效应的超疏水防冰除冰涂层及其制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、从墨囊中提取具有光热效应的黑色素纳米粒子；
S2、用全氟葵基三乙氧基硅烷疏水化改性SiO2纳米粒子；
S3、将黑色素纳米粒子与聚二甲基硅氧烷共混制备喷涂溶液，然后喷涂于基质上制备光热涂层；
S4、随后将疏水化处理的SiO2纳米粒子分散液喷涂于光热涂层表面得到光热超疏水涂层。
2.根据权利要求1所述的其制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，将墨囊进行挤压得到墨鱼汁，墨鱼汁在8000-10000rpm的条件下离心10-30min，然后用去离子水离心洗涤，收集得到的产物烘干得到黑色素纳米粒子。
3.根据权利要求1所述的其制备方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：
S201、将SiO2纳米粒子加入无水乙醇、氨水和去离子水的混合液中超声得到SiO2纳米粒子分散液。
S202、然后将全氟葵基三乙氧基硅烷逐滴加入到SiO2纳米粒子分散液，常温下反应24-48h。
S203、最后将反应液于转速为8000-10000rpm的条件下离心10-30min，再用无水乙醇离心清洗，收集产物60-80℃烘干备用。
4.根据权利要求1所述的其制备方法，其特征在于，所述步骤S3具体为：
S301、将黑色素纳米粒子和PDMS以一定质量比加入乙酸乙酯当中常温搅拌形成喷涂溶液
S302、然后将喷涂溶液喷涂于基材上，高温固化得到光热涂层。
5.根据权利要求4所述的其制备方法，其特征在于，所述步骤S301中，所述黑色素纳粒子与PDMS的质量比为：(3～0.25)﹕1；搅拌时间为1h～2h；乙酸乙酯的用量为20g。
6.根据权利要求4所述的其制备方法，其特征在于，所述步骤S302中喷涂过程中喷嘴与基质的距离为10cm～20cm；所述基材为玻璃片；所述固化温度为60℃～80℃；所述固化的时间为2h～3h。
7.根据权利要求1所述的其制备方法，其特征在于，所述步骤S4具体为：
S401、将疏水化处理的SiO2纳米粒子以一定的质量分数超声分散于乙酸乙酯中形成二氧化硅纳米粒子分散液
S402、然后喷涂于S3中所制备的光热涂层，干燥得到超疏水光热涂层。
8.根据权利要求7所述的其制备方法，其特征在于，所述步骤S401中，SiO2纳米粒子质量分数为1％，超声时间为1h～2h；乙酸乙酯的用量为10g。
9.根据权利要求7所述的其制备方法，其特征在于，所述步骤S402中，喷涂过程中喷嘴与基质的距离为10cm～20cm；所述干燥温度为60℃～80℃；所述干燥时间为2h～3h。
10.一种如权利要求1～9任一项所述及其制备方法制得的一种具有光热效应的超疏水防冰除冰涂层，其特征在于，具体应用于抗冰和除冰领域。
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