一种玉米秸秆生物炭涂层的制备方法及叶片防冰应用与流程

本发明属于叶片防冰，具体地说，涉及一种玉米秸秆生物炭涂层的制备方法，及所述方法制备的玉米秸秆生物炭涂层在叶片防冰中应用。

背景技术：

1、风能作为一种可再生能源，引起人们日益重视。但在风能资源优越的高纬度、高海拔地区，风力发电机常常会遇到像寒潮，霜冻这样的灾害性天气。从而造成风力机叶片表面结冰，发电效率下降，甚至引发安全事故，风力机叶片的防冰问题急需研究。

2、生物炭是一种可再生生物质，具有可简便制备、微观与宏观结构特殊的固态物等优点。随着温室效应的出现、生态危机的加剧，基于农业废弃物资源化制备的生物炭，由于其特殊的物理化学特性，已成为农业生产与生态环境领域中的一个研究重点。利用农业废弃物作原料的化工研究，不但能够缓解对于不可再生能源的依赖，也避免了由于能源匮乏而影响到人类的正常生产和生活，也是我国目前所面临的主要难题。

3、从风力机防除冰技术的发展现状可以看出：现有的机械除冰、热力除冰等除冰方法仍存在较大的技术缺陷，如除冰效率低、能耗高，除冰时效短，还容易对环境造成污染。如何安全、有效、快速、环保的防除冰已经成为一项重要的科学问题。超疏水材料因其独特的润湿性使其在生产及生活上的应用前景十分广阔。

4、由于风力发电机的有效运行取决于空气的密度以及风速，因此，全球大多数风力发电机都建在气温低，湿度大的区域。我国的风能资源也主要集中于高海拔地带。在雨雪等极寒天气条件下，保障风力发电机安全平稳运行，是当前面临的重大难题。

5、冰的黏附即当环境温度为零摄氏度或者更低的温度时，表面与液体界面之间的水分被冻结所产生的自然粘附现象。在超疏水表面接触气体的情况下，表面对冰的形成都有一定的抑制作用；在超疏水表面接触到液体时候，能够推迟水滴结成冰的时间，如果表面具有较好的疏水性能，则液滴就会在结冰前被去除；当超疏水表面接触到冰后，超疏水表面又可以使得表面的冰粘结强度下降。超疏水材料防冰的原因是因为涂层表面的微纳米结构能够减少雨水或者冰霜之类的物质在其表面堆积。涂层表面由于微纳米结构的存在，可以在表面形成一个气垫，使其起到隔热的作用，便可以将结冰时间延长。同时超疏水表面多为低表面能，使其对冰霜的粘附强度很低，也达到了易除冰的效果。

6、目前，由于超疏水材料化学性质不稳定，耐磨性较差，因此还未在实际应用中大面积使用。特别是在风能领域，对材料的稳定性有高度的要求。

技术实现思路

1、碳是一种普遍存在于自然界的元素，碳材料因其可调节的孔结构、吸附性能高、孔隙度发达、成本低和表面可改性等优异性能受到研究者的青睐。生物炭是一种可以简单地从可再生生物质中制备出来的，原料来源广泛，被广泛认为是制备高附加值生物炭的潜在低成本来源，并被证明是制备炭材料的良好前体。

2、本发明通过玉米秸秆制备生物炭超疏水防冰材料一方面可解决农村废弃物资源化处理问题，另一方面也为风力机叶片防除冰问题提供助力。

3、为了实现上述技术问题，本发明采取了以下的技术方案：

4、本发明的目的在于提供一种农业废弃物生物炭涂层的制备方法所述方法是按下述步骤进行的：

5、步骤1、将农业废弃物洗净，粉碎，过筛，用去离子水浸泡，晾干或者风干或者烘干，在惰性气体保护下碳化处理，用去离子水洗涤至中性，烘干，研磨，过筛，得到生物炭；

6、步骤2、惰性气氛下，将生物炭与氢氧化钾一起退火；

7、步骤3、将聚二甲基硅氧烷基质和固化剂加入正己烷中，搅拌均匀；

8、步骤4、然后加入经步骤2处理的生物炭，超声分散均匀后机械搅拌；

9、步骤5、然后喷涂在基底上，固化后得到涂层。

10、进一步地限定，步骤1中，所述烘干温度为60℃，在烘箱中进行。

11、进一步地限定，步骤1中，农业废弃物为玉米秸秆、残株、杂草、落叶、果实外壳、藤蔓、树枝中的一种或其中几种任意比的组合。

12、进一步地限定，步骤1中，浸泡时间为48h-72h。

13、进一步地限定，步骤2中，碳化是以5℃/min-10℃/min的速度升温至500℃-700℃，保温2h-4h，冷却至室温后取出。

14、进一步地限定，步骤2中，生物炭与氢氧化钾的质量比为1:(1-5)。

15、进一步地限定，步骤2中，退火是以5℃/min-10℃/min的速度从室温升温到200℃-400℃保持30min-60min，再以5℃/min-10℃/min的速度升温到650℃-850℃保持2h-4h。进一步地限定，步骤3中，聚二甲基硅氧烷、固化剂与正己烷配比为1g∶0.1g∶25ml，搅拌的速率为100r/min-200r/min

16、进一步地限定，步骤4中，超声分散10min-30min；以100r/min-200r/min速率机械搅拌0.5h-1.5h。

17、进一步地限定，步骤5中，在40℃-60℃下固化12h-24h。

18、此外，还提供了本发明上述任意方法制备的农业废弃物生物炭涂层的用途，用于叶片防冰。

19、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

20、本发明以农业废弃物为原料制备超疏水防冰涂层；并将超疏水防冰涂层应用在风力机叶片防冰，结冰面积减少36.30％-49.08％，涂层的接触角为151.2°-152.6°。

21、未涂层冰黏附强度为77.0-84.1kpa，玉米芯生物炭/pdms涂层黏附强度为151.4-162.2kpa，较未涂层相比减少44.4％-52.5％

22、经过10-50cm砂纸磨损试验后，涂层接触角减少0.6％-5.3％

23、由于超疏水材料构造条件需存在微纳米结构，与koh退火的目的是使材料在koh的侵蚀作用下生成大量微观孔隙结构，使材料结构变粗糙。

24、本发明利用农业废弃物(玉米秸秆等)制备生物炭疏水防冰涂层具有减少结冰量、降低冰黏附强度的潜力，可推动农业废弃物和风能的可持续利用，对于资源循环利用、环境保护和可再生能源开发具有重要意义。

25、为了能够更进一步了解本发明的特征及技术内容，请参阅以下有关本发明详细说明与附图，然而所附的附图仅提供参考和说明之用，并非用来对本发明加以限制。

技术特征：

1.一种农业废弃物生物炭涂层的制备方法，其特征在于，所述方法是按下述步骤进行的：

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤1中，农业废弃物为玉米秸秆、残株、杂草、落叶、果实外壳、藤蔓、树枝中的一种或其中几种任意比的组合。

3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤1中，浸泡时间为48h-72h。

4.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤2中，碳化是以5℃/min-10℃/min的速度升温至500℃-700℃，保温2h-4h，冷却至室温后取出。

5.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤2中，生物炭与氢氧化钾的质量比为1:(1-5)。

6.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤2中，退火是以5℃/min-10℃/min的速度从室温升温到200℃-400℃保持30min-60min，再以5℃/min-10℃/min的速度升温到650℃-850℃保持2h-4h。

7.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤3中，聚二甲基硅氧烷、固化剂与正己烷配比为1g∶0.1g∶25ml，搅拌的速率为100r/min-200r/min。

8.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤4中，超声分散10min-30min；以100r/min-200r/min速率机械搅拌0.5h-1.5h。

9.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤5中，在40℃-60℃下固化12h-24h。

10.一种权利要求1-9任意一项所述方法制备的涂层用于叶片防冰。

技术总结本发明公开了一种玉米秸秆生物炭涂层的制备方法及叶片防冰应用，属于叶片防冰领域。本发明方法结冰面积减少36.30％‑49.08％。本发明方法：将农业废弃物碳化处理，得到生物炭；惰性气氛下，将生物炭与氢氧化钾一起退火；将聚二甲基硅氧烷基质和固化剂加入正己烷中，搅拌均匀；然后加入生物炭，超声分散均匀后机械搅拌；步骤5、然后喷涂在基底上，固化后得到涂层。本发明方法制备的涂层具有减少结冰量、降低冰黏附强度的潜力，可推动农业废弃物和风能的可持续利用，对于资源循环利用、环境保护和可再生能源开发具有重要意义。技术研发人员：王传玺,耿杰,文军,谭光道,徐超,孟秀俊,蔡春辉,汪德军,胡辉,付荣方,周世银,詹彪,朱玉瑞,林伟荣,李岩,刘志远,冯放受保护的技术使用者：华能威宁风力发电有限公司技术研发日：技术公布日：2024/6/18