CN113045217A - 一种层层自组装光热透明防冰材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种层层自组装光热透明防冰材料的制备方法，对经过处理的基底依次进行聚阴离子溶液和聚阳离子溶液浸泡并重复浸泡几次，聚阴离子和聚阳离子通过静电吸引作用搭建涂层。本发明实现了光热透明防冰材料的自组装，使得制备得到的光热透明防冰材料结构和厚度具有可控性，为平衡透光率和光热效应提供了有效的解决途径。

Description

一种层层自组装光热透明防冰材料的制备方法
技术领域
本发明涉及高分子材料技术领域，具体涉及一种层层自组装光热透明防冰材料的制备方法。
背景技术
聚吡咯(PPy)具有较高的电导率、良好的化学和环境稳定性，使得其在传感器、防腐材料以及储能材料等领域有着广泛的应用。特别是最近发现聚吡咯纳米粒子还具有较强的近红外光(700～1200nm)吸收能力和出色的光热稳定性等性质，覆盖和堆积在车辆，飞行器和机器上的大量冰霜会造成严重的经济损失，能源消耗，更严重的是会造成危及生命的安全问题。目前常用的除冰策略都是基于机械，化学和电加热的方式。这些除冰方法，不仅会造成人力物力的浪费，而且会对自然环境带来一定程度的污染和危害。太阳能是一种很有前途的清洁可再生能源，可以在不依赖化石能源的情况下，为涉及人类发展和经济生产力的许多过程提供丰富和可持续的能源。传统的光热材料在保证光热效果的同时往往会对透光性进行忽略，窗户，挡风玻璃，电子显示屏和太阳能电池，为了美观和获得更宽广视野在建筑上安装的大面积玻璃表面的覆冰和结霜问题急需解决。在保证光热效果的同时又能够保持可见光高透过率的使一个迫切需要解决的挑战性问题。
目前实际生活中常用的防冰策略主要包括机械除冰、化学除冰或电热除冰等方法，这些方法会造成环境的污染和能源的浪费。研究人员进一步构造离子丰富的超疏水表面除冰，超疏水表面旨在去除表面凝结水，而离子丰富涂层可以降低冰核温度和延缓冻结，但在低温这种除冰方法并不能够有效除冰。进一步研究，采用自修复润滑表面的水凝胶涂层，但是这种机械性能差的水凝胶，使用寿命短，限制了进一步的实际应用。
发明内容
为此，本发明提供一种层层自组装光热透明防冰材料的制备方法，实现了光热透明防冰材料的自组装，使得制备得到的光热透明防冰材料结构和厚度具有可控性，为平衡透光率和光热效应提供了有效的解决途径。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
一种层层自组装光热透明防冰材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)对基底进行预处理；
(2)用聚阴离子溶液对经步骤(1)预处理后的基底进行浸泡处理；
(3)将经步骤(2)处理后得到的基底用去离子水冲洗干净，然后用纯度大于99.999％的氮气吹干；
(4)用聚阳离子溶液对经步骤(3)处理后得到的基底进行浸泡；
(5)将经步骤(4)处理后得到的基底用去离子水冲洗干净，然后用纯度大于99.999％的氮气吹干；
(6)依次重复步骤(2)、步骤(3)、步骤(4)和步骤(5)的操作3～10次，即可完成层层自组装光热透明防冰材料的制备。
上述制备方法，在步骤(4)中，聚阳离子溶液为质量浓度为0.1％～10％的聚吡咯溶液，配制聚吡咯溶液所用聚吡咯纳米颗粒通过如下步骤制得：
I)将稳定剂与水混合溶解，得到混合液A；
II)向混合液A中加入氧化剂和吡咯单体得到混合液B，搅拌混合液B后得到混合液C，将混合液C处理后得到聚吡咯纳米颗粒。
上述制备方法，所述混合液A中稳定剂的质量分数为0.1％～10％。
上述制备方法，所述稳定剂为聚乙烯醇，氧化剂为三氯化铁。
上述制备方法，所述混合液B中吡咯单体与三氯化铁的摩尔比为1:1～1:9。
上述制备方法，在所述步骤II)中，将三氯化铁溶于混合液A中，然后将吡咯单体加入溶有三氯化铁的混合液A中得到混合液B。
上述制备方法，在所述步骤II)中，采用透析法除去混合液C中的三氯化铁。
上述制备方法，在所述步骤II)中，混合液C透析2～7天后，然后冷冻干燥，即可得到聚吡咯纳米颗粒。
上述制备方法，在步骤(1)中，通过如下步骤对基底进行预处理：
(i)将基底进行超声清洗；
(ii)将超声清洗后的基底置于等离子表面处理机Plamsa中处理5～10min；
(iii)将经步骤(ii)处理后的基底置于硅烷偶联剂的乙醇溶液中浸泡1～6h，完成基底的预处理。
上述制备方法，聚阴离子溶液中的聚阴离子为聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸物、聚苯乙烯磺酸、聚乙烯磺酸、聚乙烯磷酸和聚丙烯酸中的一种或多种；聚阴离子溶液中聚阴离子总质量浓度为0.1％～20％；基底在聚阴离子溶液中浸泡时间为3～30min。
本发明的技术方案取得如下有益的技术效果：
1.使用本发明中的制备方法制备层层自组装材料，不仅制备出的光热透明防冰材料透明且可通过控制自组装的层数来控制材料的厚度和光透过率，而且制备过程简单，可操作性强，防冰性能好。
2.通过本发明中制备方法制备得到的自组装涂层可使基底温度升高到35℃，同时保持超过60％的可见光透过率。
附图说明
图1为本发明中制备出的不同层数的光热透明防冰材料的形貌图；
图2为本发明中制备出的不同层数的光热透明防冰材料的光热效果图；
图3为本发明中制备出的不同层数的光热透明防冰材料的光透过率图。
具体实施方式
实施例1
本实施例中光热透明防冰材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)对玻璃基底进行预处理，具体步骤如下：
(i)将玻璃基底进行超声清洗；
(ii)将超声清洗后的玻璃基底置于等离子表面处理机Plamsa中150W功率下处理5min；
(iii)将经步骤(ii)处理后的玻璃基底置于4vol％溶于乙醇的3-氨基丙基三甲氧基硅烷溶液中浸泡12小时，去离子水冲洗后用纯度大于99.999％的氮气吹干备用，即完成玻璃基底的预处理；
(2)用聚阴离子溶液对经步骤(1)预处理后的玻璃基底进行浸泡处理；其中，聚阴离子溶液为浓度为10％的聚丙烯酸水溶液，浸泡时间为15min；
(3)将经步骤(2)处理后得到的玻璃基底用去离子水冲洗干净，然后用纯度大于99.999％的氮气吹干；
(4)用聚阳离子溶液对经步骤(3)处理后得到的玻璃基底进行浸泡，浸泡时间为15min；其中，聚阳离子溶液为浓度为0.1％～10％的聚吡咯溶液，配制聚吡咯溶液所用聚吡咯纳米颗粒通过如下步骤制得：
I)将稳定剂与水混合溶解，得到混合液A，其中，稳定剂为聚乙烯醇，混合液A中稳定剂的质量分数为2％；
II)向混合液A中加入氧化剂三氯化铁和吡咯单体得到混合液B，将混合液B剧烈搅拌12小时后得到混合液C，将混合液C采用透析法透析处理2～7天去除混合液C中的三氯化铁，然后冷冻干燥即可得到聚吡咯纳米颗粒；其中，三氯化铁和吡咯单体的摩尔比为1:3；
(5)将经步骤(4)处理后得到的玻璃基底用去离子水冲洗干净，然后用纯度大于99.999％的氮气吹干；
(6)依次重复步骤(2)、步骤(3)、步骤(4)和步骤(5)的操作10次，即可完成层层自组装光热透明防冰材料的制备。
其中，步骤II)中混合液C透析处理后得到的透析液可以直接在步骤(4)中使用，以对经步骤(3)处理后的玻璃基底进行浸泡处理。
使用上述方法制备出的聚吡咯/聚丙烯酸层层自组装光热透明防冰材料制成的自组装涂层可使基底温度升高到35℃，同时保持超过60％的可见光透过率。
实施例2～5
依照实施例1中制备聚吡咯/聚丙烯酸层层自组装光热透明防冰材料的方法制备出具有1层聚吡咯/聚丙烯酸层层自组装光热透明防冰材料的样品2、具有3层聚吡咯/聚丙烯酸层层自组装光热透明防冰材料的样品3、具有5层聚吡咯/聚丙烯酸层层自组装光热透明防冰材料的样品4和具有7层聚吡咯/聚丙烯酸层层自组装光热透明防冰材料的样品5，然后对样品2、样品3、样品4和样品5分别进行形貌观测，如图1所示，并对玻璃基底、样品2、样品3、样品4和样品5分别进行光热效果和透光效果测试，如图2和图3所示。
由图2和图3可知，随着层层自组装光热透明防冰材料的层数增加，层层自组装光热透明防冰材料对可见光的透光率逐渐下降，可使基底温度升高的度数逐渐变大。
实施例6
本实施例所要制备的层层自组装光热透明防冰材料为GO/PDDA层层自组装光热透明防冰材料。所使用的聚阴离子溶液为质量浓度为10％的GO溶液，所使用的聚阳离子溶液为质量浓度为15％PDDA溶液，GO溶液为氧化石墨烯溶液，PDDA溶液为邻苯二甲酸二乙二醇二丙烯酸酯溶液。具体制备步骤与实施例1中聚吡咯/聚丙烯酸层层自组装光热透明防冰材料制备步骤相同。
使用上述方法制备出的GO/PDDA层层自组装光热透明防冰材料制成的自组装涂层可使基底温度升高到33℃，同时保持超过67％的可见光透过率，具有良好的光热防冰性能。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本专利申请权利要求的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种层层自组装光热透明防冰材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)对基底进行预处理；
(2)用聚阴离子溶液对经步骤(1)预处理后的基底进行浸泡处理；
(3)将经步骤(2)处理后得到的基底用去离子水冲洗干净，然后用纯度大于99.999％的氮气吹干；
(4)用聚阳离子溶液对经步骤(3)处理后得到的基底进行浸泡；
(5)将经步骤(4)处理后得到的基底用去离子水冲洗干净，然后用纯度大于99.999％的氮气吹干；
(6)依次重复步骤(2)、步骤(3)、步骤(4)和步骤(5)的操作3～10次，即可完成层层自组装光热透明防冰材料的制备。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤(4)中，聚阳离子溶液为质量浓度为0.1％～10％的聚吡咯溶液，配制聚吡咯溶液所用聚吡咯纳米颗粒通过如下步骤制得：
I)将稳定剂与水混合溶解，得到混合液A；
II)向混合液A中加入氧化剂和吡咯单体得到混合液B，搅拌混合液B后得到混合液C，将混合液C处理后得到聚吡咯纳米颗粒。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述混合液A中稳定剂的质量分数为0.1％～10％。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述稳定剂为聚乙烯醇，氧化剂为三氯化铁。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述混合液B中吡咯单体与三氯化铁的摩尔比为1:1～1:9。
6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤I I)中，将三氯化铁溶于混合液A中，然后将吡咯单体加入溶有三氯化铁的混合液A中得到混合液B。
7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤II)中，采用透析法除去混合液C中的三氯化铁。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤II)中，混合液C透析2～7天后，然后冷冻干燥，即可得到聚吡咯纳米颗粒。
9.根据权利要求1～8任一所述的制备方法，其特征在于，在步骤(1)中，通过如下步骤对基底进行预处理：
(i)将基底进行超声清洗；
(ii)将超声清洗后的基底置于等离子表面处理机Plamsa中处理5～10min；
(iii)将经步骤(ii)处理后的基底置于硅烷偶联剂的乙醇溶液中浸泡1～6h，完成基底的预处理。
10.根据权利要求1～8任一所述的制备方法，其特征在于，聚阴离子溶液中的聚阴离子为聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸物、聚苯乙烯磺酸、聚乙烯磺酸、聚乙烯磷酸和聚丙烯酸中的一种或多种；聚阴离子溶液中聚阴离子总质量浓度为0.1％～20％；基底在聚阴离子溶液中浸泡时间为3～30min。
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