具有高效光热转换的多功能复合超疏水抗凝冰材料的制备方法及其应用

本发明属于光热超疏水材料，具体涉及一种具有高效光热转换的复合超疏水抗凝冰材料的制备方法及其应用。

背景技术：

1、结冰现象是自然界中普遍存在的现象，它在多个领域，包括交通运输、航空、风力涡轮机、高速铁路、电力传输和海洋石油平台等，构成了显著的安全隐患。以冻雨灾害为例，此类灾害中，低温雨水在电线上结冰，会导致输电网络瘫痪和大范围停电，严重影响了居民生活。因此，开发有效的防冰和除冰技术，降低积冰风险显得尤为紧迫。传统除冰方法，如盐和多元醇的使用，尽管能降低冰点并清除道路及飞机上的积冰，但效果短暂，且可能导致水污染、道路腐蚀和土地盐碱化等环境问题。在低温环境中，水作为特殊粘附剂，会在固体表面结冰，这是一种独特的粘附现象。超疏水材料以其延缓结冰能力和显著降低冰与基底表面粘附力的特性，被认为是一种极具潜力的防冰/除冰策略。

2、现有的超疏水涂层因其低表面能和微纳层次结构，能有效减少冰的粘附。但处于低温或高湿度环境下，水分可能渗透到微纳结构中并结冰，形成的钩锁结构反而使冰更紧密地粘附于涂层表面，增加了除冰难度。光热超疏水涂层将光能转换为热能，能够通过加热来融化覆盖其上的冰，从而解决了传统超疏水涂层可能引起的冰面凝结问题。然而，由于阳光照射并不连续，这限制了其在除冰方面的实际应用。因此，非常有必要在无阳光时期提高光热超疏水表面的防冰效果。

3、通过利用相变材料的高效储能和释能特性，即在升温时吸收热量和降温时释放热量的能力，可以有效提升光热超疏水涂层在无阳光条件下的防冰性能。将这些相变材料融入到光热超疏水表面中，能够在没有阳光照射的情况下维持涂层的防冰效果。

4、碳基材料由于其固有的黑体性质，展现出广泛的光吸收能力，进而赋予了其出色的光热转换性能。同时，这类材料的层次结构有利于形成超疏水表面。鉴于碳基材料不仅来源丰富、成本低廉，还具备上述特性，它们成为制备超疏水光热材料的理想选择。然而，对碳材料进行功能化改性，即在其表面接枝大量功能化基团，面临着挑战，因为碳材料本身属于化学惰性，不易与其他物质发生化学反应。因此，要实现其表面改性，需要经历复杂的化学反应过程。目前，在简化碳基材料的功能化改性方面，相关研究仍然较为有限，且技术成熟度尚待提高。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决现有碳基光热材料的制备过程复杂，不易接枝大量功能化基团，功能单一化的问题，而提供一种具有高效光热转换的多功能复合超疏水抗凝冰材料及其制备方法，能够通过对材料本身进行赋能，丰富材料的功能化。

2、本发明具有高效光热转换的多功能复合超疏水抗凝冰材料的制备方法按下列步骤实现：

3、一、光热粒子表面顺序生长介孔二氧化硅

4、将0.1～0.5克模板剂加入去离子水中，加热溶解后加入100～500毫克碳基光热粒子，超声分散均匀，得到光热粒子-模板剂混合溶液，向光热粒子-模板剂混合溶液中加入1～6毫升氨水和70～100毫升无水乙醇，超声分散后加入1～10毫升正硅酸乙酯进行搅拌反应，经抽滤、洗涤后收集反应物，将反应物置于60～100毫升无水乙醇中，超声分散后，加入1～5毫升的浓盐酸，随后置于55～70℃水浴锅中磁力搅拌3～6小时，反应完成后采用60℃的去离子水对反应物进行冲洗、抽滤后，洗涤后的反应产物置于氮气氛围下，于400～550℃下加热处理3～6小时，得到顺序生长的介孔二氧化硅光热粒子；

5、二、光热粒子的功能化

6、将步骤一得到的顺序生长的介孔二氧化硅光热粒子浸没于低温相变材料中进行真空吸附处理，得到具有低温相变功能的光热粒子，然后浸没于高温相变材料中，在70～80℃环境下真空吸附处理3～6小时，得到具有相变功能的光热粒子；

7、三、光热粒子的疏水改性

8、将步骤二中具有相变功能的光热粒子置入无水乙醇中，然后滴加疏水改性剂，在30～80℃的条件下进行反应，经抽滤、洗涤，得到多功能复合超疏水抗凝冰材料；

9、其中步骤一中所述的模板剂为十六烷基三甲基溴化铵、聚氧乙烯辛基苯醚或者聚氧乙烯-聚氧丙烯嵌段共聚物p123；步骤二中低温相变材料的相变温度为-20～10℃，高温相变材料的相变温度为50～80℃。

10、应用具有高效光热转换的多功能复合超疏水抗凝冰材料制备光热超疏水涂层的方法如下：

11、一、将环氧树脂、固化剂和稀释剂混合，均匀涂覆在基体上，得到带有底层的基体；

12、二、将多功能复合超疏水抗凝冰材料加入到无水乙醇中，分散均匀后喷涂在底层上，待涂层凝结并硬化后，得到光热超疏水涂层。

13、本发明具有高效光热转换的超疏水抗凝冰材料的制备方法中通过在光热粒子表面顺序生长介孔二氧化硅的方式，使表面多羟基的介孔二氧化硅与光热粒子紧紧地结合后，对低温相变材料进行吸附，最后与疏水改性剂交联反应，得到具有光热转换特性的多功能超疏水材料。该材料形成超疏水表面，在光照下能够提高材料的光热温度，当没有光照时相变材料开始散热，延长凝冰时间，同时满足被动和主动抗凝冰的要求。

14、本发明具有高效光热转换的多功能复合超疏水抗凝冰材料及其制备方法包括以下有益效果：

15、第一方面，由于碳基材料本身具有化学惰性，性质稳定，不易与其他材料发生反应。因此，其表面进行接枝改性通常需要复杂的强酸或强碱反应。本发明简化了这一反应过程，降低了反应的复杂性，同时所采用的实验原材料对环境的影响较小，从而提升了整个反应过程的环保水平。

16、第二方面，本发明丰富了碳基光热材料的功能性。通过在碳基材料表面顺序生长二氧化硅，并采用了两步处理拔除模版法，相较传统的拔模版方法，在碳基材料表面得到了比表面积和孔容量高，介孔有序度好的介孔二氧化硅包覆层，利用其介孔特性可以负载更多功能性材料。除了本发明中提到的负载相变材料以延长光热材料作用时间外，还可以负载其他功能性材料，例如低冰点材料，以满足不同的功能性要求。

17、第三方面，通过对不同温度范围的相变材料进行双重吸附，成功扩展了光热粒子相变功能的作用范围。这种改进不仅能够在低温条件下延长凝冰时间，而且还能有效调控光热材料的温度增长，从而减少其对基底可能产生的不利影响。在常温条件下，高温相变材料处于固态，它为低温相变材料提供了一层防护，有效降低了低温相变材料的渗漏风险。

18、第四方面，本发明解决了在长时间低温条件下，液滴与超疏水材料的微纳米结构互锁导致的冰面粘结强度增强问题。通过赋予的相变功能，延长了无光照条件下液滴的冻结时间。

19、第五方面，本发明将太阳能、相变、低表面能等特性相结合，对改善能源结构、保护生态环境以及促进我国能源产业的可持续发展具有重要意义。

技术特征：

1.具有高效光热转换的多功能复合超疏水抗凝冰材料的制备方法，其特征在于该多功能复合超疏水抗凝冰材料的制备方法按下列步骤实现：

2.根据权利要求1所述的具有高效光热转换的多功能复合超疏水抗凝冰材料的制备方法，其特征在于步骤一中碳基光热粒子为碳粉、石墨烯、碳纳米管和炭黑中的一种或者多种混合物。

3.根据权利要求1所述的具有高效光热转换的多功能复合超疏水抗凝冰材料的制备方法，其特征在于步骤一中加热溶解的温度为50～70℃。

4.根据权利要求1所述的具有高效光热转换的多功能复合超疏水抗凝冰材料的制备方法，其特征在于步骤一中加入正硅酸乙酯进行搅拌反应时间为3～12小时。

5.根据权利要求1所述的具有高效光热转换的多功能复合超疏水抗凝冰材料的制备方法，其特征在于步骤二中浸没于高温相变材料中，在80℃环境下真空吸附处理5～6小时。

6.根据权利要求1所述的具有高效光热转换的多功能复合超疏水抗凝冰材料的制备方法，其特征在于步骤三中所述的疏水改性剂为长链硅烷偶联剂或氟硅烷偶联剂。

7.根据权利要求6所述的具有高效光热转换的多功能复合超疏水抗凝冰材料的制备方法，其特征在于所述长链硅烷偶联剂为十六烷基三氯硅烷或者十八烷基三氯硅烷；所述氟硅烷偶联剂为1h,1h,2h,2h-全氟辛基三乙氧基硅烷。

8.根据权利要求1所述的具有高效光热转换的多功能复合超疏水抗凝冰材料的制备方法，其特征在于步骤三中在30～80℃的条件下反应3～24小时。

9.如权利要求1制备的具有高效光热转换的多功能复合超疏水抗凝冰材料的应用，其特征在于应用具有高效光热转换的多功能复合超疏水抗凝冰材料制备光热超疏水涂层的方法如下：

10.如权利要求9所述的具有高效光热转换的多功能复合超疏水抗凝冰材料的应用，其特征在于步骤一中环氧树脂、固化剂和稀释剂的质量比例为(3～6):1:(1～2)。

技术总结具有高效光热转换的多功能复合超疏水抗凝冰材料的制备方法及其应用，本发明是为了解决现有碳基光热材料的制备过程复杂，不易接枝大量功能化基团，功能单一化的问题。制备方法：一、光热粒子表面顺序生长介孔二氧化硅；二、将顺序生长的介孔二氧化硅光热粒子依次浸没于低温相变材料和高温相变材料中真空吸附处理；三、将具有相变功能的光热粒子置入无水乙醇中，滴加疏水改性剂，加热反应得到复合超疏水抗凝冰材料。应用是将该复合超疏水抗凝冰材料喷涂在带有底层的基体上。本发明解决了在长时间低温条件下，液滴与超疏水材料的微纳米结构互锁导致的冰面粘结强度增强问题。通过赋予的相变功能，延长了无光照条件下液滴的冻结时间。技术研发人员：谭忆秋,李帅,韩美钊,代明欣,邢超,李济鲈,吕慧杰,李松,王伟,张超受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学技术研发日：技术公布日：2024/5/16