CN113278402A - 一种仿生多功能抗冰表面及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种仿生多功能抗冰表面及制备方法，所述的仿生多功能抗冰表面包括弹性反蛋白石薄膜和润滑油，所述的仿生多功能抗冰表面是将具有润滑效果的润滑油封进弹性反蛋白石薄膜中，结合弹性高分子多孔结构的吸附和润滑油的迁移行为，达到润滑油在基底表面的缓释作用，起到自润滑的效果，其制备方法包括以下步骤：(1)制备胶体晶体模板；(2)获得自支撑弹性反蛋白石薄膜；(3)填充润滑油。本发明克服了超疏水表面等抗冰表面的单一功能，同时具有抑制冰成核、阻碍冰晶生长和降低冰体粘附的效果，具有综合的多功能抗冰效果。

Description

一种仿生多功能抗冰表面及制备方法
技术领域
本发明涉及抗冰功能表面，具体涉及的是为增强抗冰效果而设计的一种抑制冰核形成、阻碍冰晶生长和降低冰体粘附的仿生多功能抗冰表面。
背景技术
防覆冰或高效除冰的功能表面在各种领域扮演着至关重要的角色，包括基础设施和能量系统，基础设施比如输电线、交通运输，能量系统比如航天器、低温精密仪器。冰的生命周期包括三个过程：冰核形成，冰晶生长，冰体脱落。与此对应，抗冰有三条思路：第一，抑制冰核形成；水滴即使过冷也未必会结冰，结冰需要从一个被称作冰核的微小颗粒开始，在冰核长出第一个冰晶，再延伸开来，长出其它冰体。第二，阻碍冰传递；第三，降低冰粘附，加速冰体脱落。结冰之后冰体和基底之间的冰粘附强度随基底而不同，低冰粘附功能表面一直是抗冰的研究热点。然而，已经证明在抑制冰成核和阻碍冰传递的同时降低冰粘附是困难的，因为他们的设计原理截然不同，甚至相互矛盾。
最近几年，受猪笼草植物启发，润滑液填充多孔表面(SLIPS)作为一种新型高效非浸润表面正逐渐兴起。这种表面上有一层薄薄的润滑液薄层，由于是液体表面，化学和物理性质各向同性，表现的低接触角滞后使得许多有机溶剂可以轻易滑落。SLIPS的薄液层提高了液滴的移动性，可以大大降低冰-固体基体界面的冰粘附强度，使之成为疏冰应用前景广阔的候选表面。
当前的抗冰表面主要针对防覆冰或者易于除冰。目前常用的抗冰表面有：金属基超疏水抗冰表面、高分子抗冰表面、金属基润滑液填充抗冰表面等。然而，这些表面只能满足防覆冰和除冰一方面的要求，不具有抑制结冰和易于除冰的协同功能。所以迫切需要研制同时具有防覆冰和易于除冰的多功能抗冰表面，从而提高抗冰效果。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有抗冰功能表面只关注防覆冰和易于除冰中的一方面，导致实际应用受限，而提供的一种同时具有抑制结冰和结冰后易于去除的仿生多功能抗冰表面及其制备方法。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：
一种仿生多功能抗冰表面的制备方法，包括以下步骤：
(1)制备胶体晶体模板：
通过使用垂直沉积方法将SiO2纳米颗粒自组装在载玻片上，获得具有有序阵列结构的胶体晶体；对载玻片和制成的胶体晶体进行350℃-450℃烧结处理，增强SiO2纳米颗粒的紧密堆积结构，得到胶体晶体模板；
(2)获得自支撑弹性反蛋白石薄膜：
在步骤(1)得到胶体晶体模板后，通过填充聚合物溶液并蒸发溶剂以固化聚合物来形成反蛋白石结构；待溶剂蒸发完全，用氢氟酸HF刻蚀载玻片及其表面SiO2胶体晶体模板过夜后，便获得了具有所需的自支撑弹性反蛋白石薄膜；
(3)填充润滑油：
将润滑油均匀沉积在自支撑弹性反蛋白石薄膜上，放置在真空室中8～15min，使润滑油完全填充到所述的自支撑弹性反蛋白石薄膜的多孔结构中，达到自润滑的目的。
进一步的，所述的SiO2纳米颗粒的尺寸为100～400nm。
进一步的，所述的聚合物溶液是将光热材料和聚合物按照质量比5:100混合制得。
作为优选的方案，由于自支撑弹性反蛋白石薄膜在干燥过程中水的表面张力作用，弹性反蛋白石薄膜的孔隙会有所收缩，自支撑弹性反蛋白石薄膜的孔隙尺寸变化范围为150～300nm。
进一步的，所述真空室的压力低于100Pa。
进一步的，所述的自支撑弹性反蛋白石薄膜为光热材料掺杂到聚合物高分子骨架中制备得到。
作为优选的方案，所述的光热材料为碳黑、碳纳米管和石墨烯中的至少一种；所述的光热材料尺寸为100～300nm。
作为优选的方案，所述聚合物为聚苯乙烯或者聚氨酯；所述的润滑油为硅油、液体石蜡或者全氟化油。
进一步的，将具有润滑效果的润滑油封进自支撑弹性反蛋白石薄膜中，结合弹性高分子多孔结构的吸附和润滑油的迁移行为，达到润滑油在基底表面的缓释作用。
本发明还保护所述方法制备的仿生多功能抗冰表面。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供了一种仿生多功能抗冰表面及其制备方法，所述的仿生多功能抗冰表面包括弹性反蛋白石薄膜和润滑油。所述的仿生多功能抗冰表面是将具有润滑效果的润滑油封进弹性反蛋白石薄膜中，结合弹性高分子多孔结构的吸附和润滑油的迁移行为，达到润滑油在基底表面的缓释作用，起到自润滑的效果。
本发明的仿生多功能抗冰表面及其制备方法中，所述的仿生多功能抗冰表面由于是液体表面，表面各向同性，冰核形成大大延迟。而且锁在结构中的油可以迁移到表面以覆盖冰晶，从而阻碍冰晶的生长。由于润滑油的流动性和润滑性，冷凝水滴可以在结冰前滑下，所述的仿生多功能抗冰表面的冰粘附强度也比普通金属基表面小了一个数量级，在低温下抗冰效果更佳明显。由于光热材料的加入，光照下冰体和所述的仿生多功能抗冰表面间形成薄薄的水性润滑层，冰体自动脱落，因此，所述的仿生多功能抗冰表面具有光响应脱冰特性。
本发明所提供的一种仿生多功能抗冰表面及其制备方法，克服了超疏水表面等抗冰表面的单一功能，同时具有抑制冰成核、阻碍冰晶生长和降低冰体粘附的效果，具有综合的多功能抗冰效果。综上，可见所述的仿生多功能抗冰表面具有多维度抗冰特性。
附图说明
图1是本发明一种仿生多功能抗冰表面制备示意图。
图2是实施例1中全氟化油填充的聚氨酯反蛋白石薄膜表面的水滴接触角CA图片。
图3是实施例1中全氟化油填充的聚氨酯反蛋白石薄膜表面与铝表面上液滴结冰时间对比图。
图4是实施例1中全氟化油填充的聚氨酯反蛋白石薄膜表面光热除冰示意图。
具体实施方式
以下通过实施例形式对本发明的上述内容再作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明上述内容所实现的技术均属于本发明的范围。
下述实施例中所使用的实验方法，如无特殊说明均为常规方法，所用的试剂、方法和设备，如无特殊说明均为本技术领域常规试剂、方法和设备。
实施例1
一种仿生多功能抗冰表面及其制备方法，所述的仿生多功能表面包括弹性聚氨酯反蛋白石薄膜和全氟化油。如图1所示，其制备方法如下：
通过使用垂直沉积方法将尺寸为200nm的SiO2纳米颗粒自组装在载玻片上，获得具有有序阵列结构的胶体晶体模板。为了增强SiO2纳米颗粒的紧密堆积结构，在马弗炉中对载玻片和制成的胶体晶体阵列进行了400℃烧结处理。然后，将特征尺寸300nm的碳黑和聚合物按照质量比5:100混合制得聚合物溶液。接着，通过填充聚合物溶液到胶体晶体模板中，并蒸发溶剂以固化聚合物来形成反蛋白石结构。待溶剂蒸发完全，用氢氟酸(HF)刻蚀载玻片及其表面SiO2胶体晶体模板过夜后，便获得了具有所需弹性的自支撑弹性聚氨酯反蛋白石薄膜。由于膜在干燥过程中水的表面张力，所述的弹性聚氨酯反蛋白石薄膜的孔隙应略有收缩，大概180nm左右。最后，将硅油润滑油均匀沉积在弹性反蛋白石薄膜上，放在真空室中10min，真空室压力低于100Pa，润滑油完全填充到所述的弹性聚氨酯反蛋白石薄膜的多孔结构中，得到所述的仿生多功能抗冰表面。
附图2为水滴在所述的仿生多功能抗冰表面的接触角图片，从结果中可以看到，由于液体的流动性，水滴在短时间内散布到所述的仿生多功能抗冰表面上，经过测试，水滴在仿生多功能抗冰表面上的滚动角为10°，可知水滴在表面容易滚动，具有明显的润滑效果。
附图3为相同环境条件下，水滴在仿生多功能抗冰表面和铝表面上结冰对比。由结果可以看出，水滴在仿生多功能抗冰表面上开始结冰时间点远远迟于铝表面上，说明冰成核被抑制。而且，水滴在仿生多功能抗冰表面上结冰时间(从开始结冰到结冰完成所需时间)少于铝表面，说明全氟化油阻碍了冰晶的生长过程。
附图4为仿生多功能抗冰表面上光响应除冰特性示意图。由于光热材料碳黑的加入，在光照下，仿生多功能抗冰表面能够将光能转化为热能，从而在冰滴和基底表面之间形成一层润滑性水层，类似于滑冰，这层水性润滑层对于其上的滑动物体会同时产生粘性和弹性，从而加速冰滴脱落。
实施例2
一种仿生多功能抗冰表面及其制备方法，所述的仿生多功能表面包括弹性聚氨酯反蛋白石薄膜和液体石蜡。如图1所示，其制备方法如下：
通过使用垂直沉积方法将尺寸为200nm的SiO2纳米颗粒自组装在载玻片上，获得具有有序阵列结构的胶体晶体模板。为了增强SiO2纳米颗粒的紧密堆积结构，在马弗炉中对载玻片和制成的胶体晶体阵列进行了400℃烧结处理。然后，将特征尺寸300nm的碳纳米管和聚合物按照质量比5:100混合制得聚合物溶液。接着，通过填充聚合物溶液到胶体晶体模板中，并蒸发溶剂以固化聚合物来形成反蛋白石结构。待溶剂蒸发完全，用氢氟酸(HF)刻蚀载玻片及其表面SiO2胶体晶体模板过夜后，便获得了具有所需弹性的自支撑弹性聚氨酯反蛋白石薄膜。由于膜在干燥过程中水的表面张力，所述的弹性聚氨酯反蛋白石薄膜的孔隙应略有收缩，大概180nm左右。最后，将液体石蜡润滑油均匀沉积在弹性反蛋白石薄膜上，放在真空室中10min，真空室压力低于100Pa，润滑油完全填充到所述的弹性聚氨酯反蛋白石薄膜的多孔结构中，得到所述的仿生多功能抗冰表面。
水滴在所述的仿生多功能抗冰表面上的滚动角为5°左右，可知水滴在表面容易滚动，具有明显的润滑效果。
水滴在仿生多功能抗冰表面上开始结冰时间点远远迟于铝表面上，说明冰成核被抑制。而且，水滴在仿生多功能抗冰表面上结冰时间(从开始结冰到结冰完成所需时间)少于铝表面，说明液体石蜡阻碍了冰晶的生长过程。
由于光热材料碳纳米管的加入，在光照下，仿生多功能抗冰表面能够将光能转化为热能，从而在冰滴和基底表面之间形成一层润滑性水层，类似于滑冰，这层水性润滑层对于其上的滑动物体会同时产生粘性和弹性，从而加速冰滴脱落。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种仿生多功能抗冰表面的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)制备胶体晶体模板：
通过使用垂直沉积方法将SiO2纳米颗粒自组装在载玻片上，获得具有有序阵列结构的胶体晶体；对载玻片和制成的胶体晶体进行350℃-450℃烧结处理，增强SiO2纳米颗粒的紧密堆积结构，得到胶体晶体模板；
(2)获得自支撑弹性反蛋白石薄膜：
在步骤(1)得到胶体晶体模板后，通过填充聚合物溶液并蒸发溶剂以固化聚合物来形成反蛋白石结构；待溶剂蒸发完全，用氢氟酸HF刻蚀载玻片及其表面SiO2胶体晶体模板过夜后，便获得了具有所需的自支撑弹性反蛋白石薄膜；
(3)填充润滑油：
将润滑油均匀沉积在自支撑弹性反蛋白石薄膜上，放置在真空室中8～15min，使润滑油完全填充到所述的自支撑弹性反蛋白石薄膜的多孔结构中，达到自润滑的目的。
2.根据权利要求1所述的仿生多功能抗冰表面的制备方法，其特征在于：所述的SiO2纳米颗粒的尺寸为100～400nm。
3.根据权利要求1所述的仿生多功能抗冰表面的制备方法，其特征在于：所述的聚合物溶液是将光热材料和聚合物按照质量比5:100混合制得。
4.根据权利要求1所述的仿生多功能抗冰表面的制备方法，其特征在于：由于自支撑弹性反蛋白石薄膜在干燥过程中水的表面张力作用，弹性反蛋白石薄膜的孔隙会有所收缩，自支撑弹性反蛋白石薄膜的孔隙尺寸变化范围为150～300nm。
5.根据权利要求1所述的仿生多功能抗冰表面的制备方法，其特征在于：所述真空室的压力低于100Pa。
6.根据权利要求3所述的仿生多功能抗冰表面的制备方法，其特征在于：所述的自支撑弹性反蛋白石薄膜为光热材料掺杂到聚合物高分子骨架中制备得到。
7.根据权利要求3所述的仿生多功能抗冰表面的制备方法，其特征在于：所述的光热材料为碳黑、碳纳米管和石墨烯中的至少一种；所述的光热材料尺寸为100～300nm。
8.根据权利要求1所述的仿生多功能抗冰表面的制备方法，其特征在于：所述的聚合物为聚苯乙烯或者聚氨酯；所述的润滑油为硅油、液体石蜡或者全氟化油。
9.根据权利要求1所述的仿生多功能抗冰表面的制备方法，其特征在于：将具有润滑效果的润滑油封进自支撑弹性反蛋白石薄膜中，结合弹性高分子多孔结构的吸附和润滑油的迁移行为，达到润滑油在基底表面的缓释作用。
10.根据权利要求1-9任一项所述方法制备的仿生多功能抗冰表面。
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