一种仿生微纳复合结构防覆冰表面及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种仿生微纳复合结构防覆冰表面及其制备方法，属于化学、材料技术领域。本发明专利技术通过在基底表面加工表面微米结构；在表面微米结构上种植纳米结构和表面修饰的步骤，得到防覆冰表面；防覆冰表面具有微米-纳米复合的结构，大大增加了材料表面粗糙度，减小了液滴与基底表面的接触面积，使基底表面不仅具备超疏水性能且具有较低的粘附性；在-10℃甚至-15℃条件下，表面具备疏水防冰效果，结冰时间大于7200秒；可在多种材料上实现，大大拓宽了材料对低温疏冰的限制。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于化学、材料
，涉及。
技术介绍
覆冰现象非常常见，室外机械、建筑、飞机、轮船、线缆、电塔等设施覆盖冰层的现象，造成设备不能正常工作甚至引发重大灾害，是一个世界性难题。2008年冬季我国南方的冰冻灾害，由于连续的降雪与冻雨，导致冰层积累，压垮电塔、输电线、电缆、通讯塔，中断了电力与通讯；同时，民居、陆路交通与空中运营都受到严重影响，造成了人员伤亡与巨大经济损失。在冰雪灾害多发地区，如加拿大和美国已经成立了专门的研究机构针对防覆冰灾害进行专项研究，然而以往的除冰方法多局限于覆冰后通过机械除冰、喷洒除冰剂、加热等方法去除冰，这些除冰方法并不环保，且多需要专门的设备并造成了资源、能源的浪费。近年来，一些文献和专利提及到材料表面涂层、表面改性等方法来实现防止材料表面结冰的目的。如，专利CN101358106公开了一种包括有机氟硅复合高分子材料、纳米材料、固化剂、 溶剂、填料按比例制备的防覆冰纳米复合涂料，该方法制备的应用于输电线路的防覆冰涂料需要多种复杂有机物，且该方法采用的多种溶剂毒性大，挥发性强，对环境及施工人员具有潜在的安全威胁；专利CN101705488A公开了一种制备超疏水低黏着性防覆冰铜表面的制备方法，该方法先通过腐蚀法使铜表面具备粗糙结构，然后疏水修饰制得超疏水防覆冰表面。该方法虽然在_5°C，10分钟条件下较未处理表面覆冰层厚度有所降低，但仍旧不能较好的防止冰层的附着。
技术实现思路
本专利技术涉及一种全新的防覆冰表面设计方法，目的在于克服现有防覆冰效果不佳的现实状况，运用简单易实现的机械加工和水热合成法实现微纳米复合结构，达到-10°c下材料表面液滴超过1. 5小时不结冰的防覆冰效果。本专利技术受到蝴蝶在浓雾和雨中依然可以飞行的启发，深入研究其结构，仿制该结构并在低温下应用而得。蝴蝶翅膀因具备斜齿状鳞片结构且鳞片表面具有更加微细的纳米结构，使其具备单向驱动超疏水的能力，即使处在高湿度的情况下也不沾水滴，保持身体质量不增加。借鉴这一微纳复合的结构，本专利技术在常见基底材料上制备出微米尺寸不对称结构，在该结构上种植纳米结构，如纳米线、纳米棒、纳米锥等；再通过表面修饰降低材料表面能的三步方法制备得到常温超疏水、低温防覆冰的微纳复合结构的防覆冰表面。本专利技术提供的仿生微纳复合结构防覆冰表面的制备方法，包括如下步骤第一步，在基底表面加工表面微米结构；表面微米结构的加工采用机械加工法、模塑铸造法、激光刻蚀法、加热压印法、光刻法、气相定向腐蚀法、激光刻蚀法、定向腐蚀法或模塑法等。第二步，在表面微米结构上种植纳米结构，具体步骤为(1)配制晶种溶液取二水合醋酸锌、一乙醇胺和乙二醇甲醚，混合并用力搅拌， 得到透明无未溶物质的晶种溶液，晶种溶液中二水合醋酸锌的摩尔浓度为0. 05摩尔每升， 一乙醇胺的浓度为0. 05摩尔每升，溶剂为乙二醇甲醚；(2)配制生长液称取六水合硝酸锌和六次甲基四胺，量取去离子水，混合并用力搅拌，制得生长液，生长液中六水合硝酸锌的摩尔浓度为0. 25毫摩尔每升，六次甲基四胺的摩尔浓度为0. 25毫摩尔每升，溶剂为水；(3)对具有表面微米结构的基底表面进行清洗；(4)清洗后的基底自然冷却后，用基底蘸取第(1)步中制备的晶种溶液，使晶种溶液在基底表面形成一层液膜，基底水平放入马弗炉中，350 400°C烧结5分钟；(5)将烧结后的基底从马弗炉中取出，自然冷却后放入高温高压反应釜的聚四氟乙烯内胆中，需保证有表面微米结构的表面向下，且表面微米结构的表面不能与内胆壁接触；在反应釜中倒入第(2)步中制备的生长液，装配好反应釜，放入烘箱内，设置反应温度为85°C，反应时间为15小时，反应完毕，取出反应釜，待其自然冷却后取出基底，表面用去离子水冲洗干净，烘干待用，即在表面微米结构上种植纳米结构。第三步，表面修饰，得到防覆冰表面；表面修饰采用修饰剂为氟化合物，修饰方法为真空蒸镀法，具体为将具有表面微米结构和纳米结构的基底清洗后，放入真空瓶内，在基底表面滴加2 3滴修饰剂，真空瓶内抽真空至-0. IMpa以下；将真空瓶放入烘箱中，保持90°C反应3小时，反应完毕就在基底表面制备出了仿生微纳复合结构防覆冰表面。所述的仿生微纳复合结构防覆冰表面上具有表面微米结构和纳米结构，成为微纳复合的防覆冰表面，其中表面微米结构为条形斜齿、矩阵斜齿或锥形齿，纳米结构为纳米线、纳米管、纳米棒或纳米棱锥，所述的纳米结构种植在表面微米结构上。本专利技术的优点在于1、本专利技术提供的仿生微纳复合结构防覆冰表面具有微米_纳米复合的结构，大大增加了材料表面粗糙度，减小了液滴与基底表面的接触面积，使基底表面不仅具备超疏水性能且具有较低的粘附性；2、本专利技术提供的仿生微纳复合结构防覆冰表面，在-10°C甚至-15°C条件下，表面具备疏水防冰效果，结冰时间大于7200秒；3、本专利技术提供的仿生微纳复合结构防覆冰表面可在多种材料上实现，大大拓宽了材料对低温疏冰的限制；4、本专利技术所提供的仿生微纳复合结构防覆冰表面的制备方法容易实现，成本低；5、本专利技术制备的仿生微纳复合结构防覆冰表面，在低温-20°C和室温之间的多次循环后，不影响使用效果，耐久性强，且即使损伤失效仍可再次制备获得，不浪费材料；6、本专利技术获得的仿生微纳复合结构防覆冰表面疏水疏冰，不需外界能量及装置；7、本专利技术获得的仿生微纳复合结构防覆冰表面即使在更低温度下表面沉积冰，温度恢复冰点之上后表面不残留水或残留水很少，具有自洁净能力。附图说明图1为实施例1中条形斜齿结构的加工尺寸示意图；图2A和图2B为实施例1中条形斜齿结构的主视图和顶视图的微观结构示意图3A和图3B为实施例1中制备的防覆冰表面结构的正视和顶视的扫描电镜图；图4为实施例1制备的防覆冰表面的结冰时间对比图；图5为实施例2中的矩阵斜齿结构尺寸示意图；图6A和6B为矩阵斜齿结构的正视和主视的扫描电镜图；图7A 7C为实施例2中纳米结构的扫描电镜图；图8为矩阵斜齿微纳复合结构防覆冰表面防覆冰延迟时间测试过程图。具体实施例方式下面结合附图和实施例对本专利技术提供的仿生微纳复合结构防覆冰表面及其制备方法进行详细说明。本专利技术提供的仿生微纳复合结构防覆冰表面通过如下方法制备得到第一步，在基底表面加工表面微米结构所述的表面微米结构为条形斜齿结构、矩阵斜齿结构或斜锥形结构等。表面微米结构的周期(齿间距)为200 1100 μ m，高度为70 900 μ m，表面微米结构的倾斜角度为25 45°。这些表面微米结构的主要作用是尽可能地减小液体与基底表面的接触面积， 并实现基底表面的各向异性以利于基底表面的水、冰容易定向脱离。根据基底的材料选取不同，所采用的表面微米结构加工方法不同，具体如下1、防覆冰表面的基底材料为不锈钢、生铁、镁铝合金或铝材等金属材料，表面微米结构可采用机械加工法、模塑铸造法加工。2、防覆冰表面的基底材料为陶瓷等化学惰性高的材料，可通过粉末模塑压实制得形坯，而后固相烧结得到表面微米结构；也可采用激光刻蚀法实现表面微米结构。3、防覆冰表面的基底材料为有机聚合物等不耐高温的材料，对热塑性材料可采用加热压印法，对热固性材料可采用机械加工法或固化前先制备形状再固化的方法实现表面微米结构的加工制备。4、防覆冰表面基底材料为硅等可腐蚀的材料，可采用本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：郑咏梅，郭鹏，江雷，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：