本发明涉及一种超疏水防冰材料的制备方法，属于材料领域。
背景技术：
超疏水材料是指表面静态水接触角大于150°，滚动角小于10°的材料，水滴在超疏水材料表面无法良好浸润而保持球状滚动，从宏观上即表现出超疏水性质。研究发现，超疏水表面能延缓结冰时间、减少覆冰量、降低冰块与固体表面的粘附。近年来，超疏水表面的制备一直是材料研究方面的热点，具有超疏水性能的表面需满足下列条件之一：一是基体表面需有一定的粗糙结构；二是基体具有较低的表面能。
现有的超疏水表面的制备方法主要包括溶胶凝胶法、光刻法、化学腐蚀法、化学气相沉积法、模板法等。这些方法虽然制备原理和工艺不同，但总体上遵循一个原则：即界面粗糙结构和低表面能的结合。常用的低表面能材料主要是指含氟、含硅类聚合物，如聚四氟乙烯(ptfe)、氟硅烷类等，这类材料可表现出良好的憎水憎冰性能、防污性能和自润滑性能。wang等人利用fas增强纳米sio2颗粒的疏水性，制得了静态水接触角达163°的超疏水界面，但该方法存在着复杂耗时、设备复杂、原料昂贵、成本较高等问题，难以大规模制造超疏水表面(pengwang,etal.transparentandabrasion-resistantsuperhydrophobiccoatingwithrobustself-cleaningfunctionineitherairoroil[j].journalofmaterialschemistrya,,4(20):7869-7874.)。简单的刷涂和喷涂方法虽能很好地克服上述缺点，但制得的超疏水表面的微纳结构容易被破坏，从而失去超疏水性。
另外，粗糙结构的存在有助于进一步增大疏水涂层的接触角、减小水滴与基材之间的接触面积、减弱两者之间的粘附力，其中内含的空气可以形成绝热层，降低传热速率从而延迟结冰时间，若基体略微倾斜，液滴便可以在结冰之前离开材料表面，使基体上无覆冰聚集。通过在基材表面涂覆疏水氧化硅纳米颗粒构建微米-纳米复合结构，能够形成粗糙度较小、较致密的超疏水表面。但这种方法构成的超疏水表面存在着易脱落、难以在低温高湿环境下实现自防冰等问题(cn105694715a)。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种简单易行的超疏水防冰材料的制备方法，该方法通过湿法刻蚀法在材料表面构建粗糙结构，并在材料表面沉积经低表面能物质修饰的疏水性颗粒，实现表面粗糙结构和低表面能的结合。
实现本发明目的的技术解决方案为：
超疏水防冰材料的制备方法，具体步骤如下：
(1)基材的预处理：将基材用砂纸打磨后浸入盐酸与30％过氧化氢的混合溶液中刻蚀3～5min，水与乙醇清洗并干燥；
(2)纳米颗粒悬浊液的制备：将100～300nm的zno纳米颗粒分散于硬脂酸的己烷溶液中，并按zno纳米颗粒与增稠剂的质量比为10：1～20：1加入增稠剂纤维素，室温下搅拌形成均匀悬浊液；
(3)pdms溶液的制备：将聚二甲基硅氧烷(pdms)预聚体、固化剂按比例溶解在有机溶剂中，搅拌得到均匀溶液；
(4)超疏水表面制备：将刻蚀后的基材浸入到步骤(2)所得的悬浊液中，静置3～5min后取出，室温干燥后，浸入步骤(3)所得溶液中，静置40～50s后取出基材并固化，得到超疏水防冰材料。
优选地，步骤(1)中，所述的基材为金属合金如铁、铝合金，或有机高分子材料如环氧树脂等。
优选地，步骤(1)中，所述的盐酸与过氧化氢的混合溶液中，浓盐酸与30％过氧化氢溶液的体积比为10：3。
优选地，步骤(2)中，所述的硬脂酸的己烷溶液的浓度为0.02～0.05mol/l。
优选地，步骤(3)中，所述的pdms预聚体的浓度为1g/ml有机溶剂。
优选地，步骤(3)中，所述的有机溶剂选自四氢呋喃或者己烷。
优选地，步骤(4)中，所述的室温干燥时间为12～15min。
优选地，步骤(4)中，所述的固化为先在60～120℃下固化1～2h，再在100～120下℃固化1～2h。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
1)制备方法简单，加工过程简便易行；
2)制备的超疏水防冰材料在低温高湿环境下能够有效延缓结冰速度，可广泛应用于低温高湿环境下的机械防冰。
附图说明
图1为实施例1超疏水防冰材料的静态水接触角测试结果图。
图2为实施例2超疏水防冰材料的静态水接触角测试结果图。
图3为超疏水防冰材料在低温(-20℃)高湿(环境湿度80％±10％)环境下的防冰测试结果。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步详述。
实施例1
(1)基材的预处理：将环氧树脂基材用砂纸打磨后浸入10：3的浓盐酸与30％过氧化氢溶液中，反应5min，取出基材并用去离子水、乙醇冲洗并吹干。
(2)纳米颗粒悬浊液的制备：将0.142g硬脂酸加入到15ml正己烷溶液中，搅拌后得到均匀溶液，将2g疏水zno纳米颗粒分散到溶液中，室温下搅拌30min后，加入0.1g纤维素继续搅拌10min。
(3)pdms溶液制备：将1gpdms预聚体与0.1g固化剂溶解到50ml四氢呋喃溶剂(thf)中，混合搅拌10min。
(4)超疏水表面制备：将刻蚀后的环氧树脂基材浸入步骤(2)所得悬浊液3min后取出，常温干燥15min后浸入到步骤(3)所得pdms溶液中，45s后取出，并于60℃固化2h后100℃干燥1h，即得到超疏水防冰材料。
如图1，制得的超疏水防冰材料表面的接触角为151°。
实施例2
(1)基材的预处理：将6061铝合金基材用砂纸打磨后浸入10：3的浓盐酸与过氧化氢溶液中，反应3min，取出基材并用去离子水、乙醇冲洗并吹干。
(2)纳米颗粒悬浊液的制备：将0.142g硬脂酸加入到15ml正己烷溶液中，搅拌后得到均匀溶液，将2g疏水zno纳米颗粒分散到溶液中，室温下搅拌30min后，加入0.1g纤维素继续搅拌10min。
(3)pdms溶液制备：将1gpdms预聚体与0.1g固化剂溶解到50ml四氢呋喃溶剂(thf)中，混合搅拌10min。
(4)超疏水表面制备：将刻蚀后的环氧树脂基材浸入步骤(2)所得悬浊液3min后取出，常温干燥15min后浸入到步骤(3)所得pdms溶液中，45s后取出，并60℃固化2h后100℃干燥1h，即得到超疏水防冰材料。
如图2，制得的超疏水防冰材料的接触角为154°。
如图3为超疏水防冰材料在低温高湿环境下的防冰测试结果。白色基片为制备有超疏水防冰材料的基片(记为a基片)，对照组只经过预处理(记为b基片)，开始时两基片均无覆冰。28min后，a基片表面开始结冰，而b基片表面已完全结冰。对比两基片在相同低温高湿环境下的结冰时间，可得出制备的超疏水防冰材料能有效延缓结冰时间。
对比例1
本对比例与实施例2基本相同，唯一不同的是zno纳米颗粒与增稠剂的质量比为8：1。
由于zno纳米颗粒与增稠剂比例小于10：1，所得的悬浊液延展性较差，不能得到均匀涂层，疏水效果明显变差。
对比例2
本对比例与实施例1基本相同，唯一不同的是zno纳米颗粒与增稠剂的质量比为30：1。
由于zno纳米颗粒与增稠剂比例大于20：1，所得悬浊液浓度较低，导致超疏水zno颗粒难以沉积到基材表面，疏水效果明显变差。
技术特征：
1.超疏水防冰材料的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)基材的预处理：将基材用砂纸打磨后浸入盐酸与30％过氧化氢的混合溶液中刻蚀3～5min，水与乙醇清洗并干燥；
(2)纳米颗粒悬浊液的制备：将100～300nm的zno纳米颗粒分散于硬脂酸的己烷溶液中，并按zno纳米颗粒与增稠剂的质量比为10：1～20：1加入增稠剂纤维素，室温下搅拌形成均匀悬浊液；
(3)pdms溶液的制备：将pdms预聚体、固化剂按比例溶解在有机溶剂中，搅拌得到均匀溶液；
(4)超疏水表面制备：将刻蚀后的基材浸入到步骤(2)所得的悬浊液中，静置3～5min后取出，室温干燥后，浸入步骤(3)所得溶液中，静置40～50s后取出基材并固化，得到超疏水防冰材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的基材为金属合金或有机高分子材料。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的盐酸与过氧化氢的混合溶液中，浓盐酸与30％过氧化氢溶液的体积比为10：3。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的硬脂酸的己烷溶液的浓度为0.02～0.05mol/l。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述的pdms预聚体的浓度为1g/ml有机溶剂。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述的有机溶剂选自四氢呋喃或者己烷。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，所述的室温干燥时间为12～15min。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，所述的固化为先在60～120℃下固化1～2h，再在100～120下℃固化1～2h。
技术总结
本发明公开了一种超疏水防冰材料的制备方法。所述方法先将基材用砂纸打磨后浸入盐酸与30％过氧化氢的混合溶液中刻蚀形成微纳米结构后，浸入到纳米ZnO颗粒和纤维素的悬浊液中沉降，再浸入到PDMS的有机溶液中，取出后固化，得到超疏水防冰材料。本发明成本低廉、工艺简单，适用基体材料广，制得的超疏水防冰材料具有良好的抗冰，自清洁能力，适用于低温高湿环境下的机械防冰。
技术研发人员：杨林翔;熊党生;张璇;吴玉林;佟威
受保护的技术使用者：南京理工大学
技术研发日：.08.02
技术公布日：.02.14
