CN112225934A - 一种防除冰可穿戴薄膜、制备方法及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种防除冰可穿戴薄膜、制备方法及其应用,薄膜由疏水性高分子聚合物、光热材料和固化剂配制固化而成，通过调整配制比例，可获得润湿、光热性能兼顾的功能薄膜,薄膜表面具有高效的光热性能和超疏水特性，从而能够实现表面的防除冰功能，得益于其优良的耐用性，该薄膜能够在不同的低温环境下广泛应用于不同的固体基体表面，并能即贴即用和多次重复使用，本发明的制备方法步骤简洁，制备过程精确可控，所制备材料表面耐用性强，可适用基体范围广，尤其适用于复杂环境下基体的即贴即用防除冰需求。

Description

一种防除冰可穿戴薄膜、制备方法及其应用
技术领域
本发明涉及材料表面处理领域，具体涉及一种防除冰可穿戴薄膜、制备方法及其应用。
背景技术
覆冰在冬季或高寒地区是普遍存在的。然而冰的聚集可能会对我们的建筑设施、能源传输***、风力涡轮机、交通运输设备等设施和构筑物造成严重的的安全隐患和经济损失。
传统的解决结冰问题的方法如主动加热、化学除冰等，这些方法的实施通常伴随着巨大的能源消耗，同时对环境不友好。近年来，通过模拟生物结构和化学成分开发的新型仿生涂层和功能表面受到了广泛关注。然而，在这些新型研究中，大多数防除冰功能界面依赖于在预先设计的衬底上制备功能性涂层或结构，预先设计的必要性和制造后的固定状态都大大降低了防除冰功能界面即贴即用功能的可能性，在面对多样化的使用环境，显示出非常局限的使用前景。这使得解决复杂环境下的覆冰问题依然是挑战。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种防除冰可穿戴薄膜、制备方法及其应用，解决了上述背景技术中提到的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种防除冰可穿戴薄膜，所述薄膜由疏水性高分子聚合物材料、固化剂与光热材料按比例配制固化而成,薄膜表面构筑有锥状凹坑的结构阵列,所述锥状凹坑结构尺度为微米级，在薄膜表面呈多边形阵列均匀分布，所述锥状凹坑结构阵列由激光直写技术构筑而成，所述凹坑间距为15-25μm，凹坑直径为15-20μm，凹坑深度为5-15μm；所述薄膜厚度为0.5-2mm。
优选的，所述疏水性高分子聚合物材料、固化剂、光热材料的质量比为200-2000：16-240:1。
优选的，所述的疏水性高分子聚合物材料为聚二甲基硅氧烷；所述光热材料为迈克烯、石墨烯、碳纳米管或四氧化三铁。
一种防除冰可穿戴薄膜的制备方法，包括以下步骤：
S1、取质量比为200-2000：16-240:1的疏水性高分子聚合物材料、固化剂、光热材料，然后由搅拌机搅拌混合均匀，得到混合物；
S2、将混合均匀后的混合物倒入平底陶瓷容器中，然后放置在真空干燥箱中进行抽真空处理，去除混合物中的气泡；
S3、将真空处理后的混合物进行固化，获得表面平整的薄膜；
S4、利用激光对固化完成的薄膜表面进行凹坑阵列的构筑，获得表面分布有锥状凹坑阵列的薄膜；
优选的，所述步骤S1搅拌过程中的搅拌转速为80-150转每分钟，搅拌时间为60-120分钟。
优选的，所述步骤S2中的真空干燥箱参数设定压强为(-0.08)-(-0.1)MPa，温度为18-25℃，处理时间为5分钟；所述步骤S2中的抽真空处理重复进行3-5次。
优选的，所述步骤S3中的固化处理是将经步骤S2处理后的混合物置于干燥箱中，干燥箱参数设定温度为55-80℃，处理时间为100-150分钟。
优选的，所述步骤S4中激光的激光光束垂直于薄膜表面进行扫描；所述激光的光斑直径为10-20μm，脉冲能量为3-8mW,单点扫描时间为20000-40000μs,扫描线间距为15-25μm。
一种防除冰可穿戴薄膜在基体表面的应用，将表面分布有锥状凹坑阵列的薄膜粘贴在需要进行防除冰处理的基体表面，实现其防除冰的应用。
优选的，所述的基体表面是玻璃、陶瓷、金属、木材或固体聚合物的表面。
本发明的有益效果是：
1.本发明的薄膜由疏水性高分子聚合物、光热材料和固化剂配制固化而成，使薄膜具备光热/润湿响应特性，通过调整配制比例，可获得润湿、光热性能兼顾的功能薄膜；
2.本发明利用激光直写技术在薄膜上构筑规则的锥状凹坑的结构阵列，这样的结构化处理，使其表面更加粗糙化，这进一步增强了薄膜表面的疏水性和光热转化效率，结构阵列有利于实现对空气的捕获和收纳，从而在薄膜表面锁住一层空气，降低过冷液滴在薄膜表面的接触面积；结构化的薄膜展现出的超疏水特性可自动驱离出现表面的水滴，抑制结冰现象的发生；
3.当处于低温高湿度的环境中时，结构化的薄膜展现出的超疏水特性可首先响应以驱离表面的冷凝水滴和抵抗来自环境中的大水滴的撞击；同时，薄膜中的光热材料可吸收环境中的光能转化成热量，结构化的薄膜表面有利于增加对外界光源的吸收及光热转化效率，进一步增强薄膜表面的防除冰效果；
4.本发明薄膜表面具有超疏水和光热响应的性能，从而实现对过冷水的排斥、抑制冰的形成和光热除冰等功能，本发明的制备步骤简洁，制备过程精确可控，所制备材料表面耐用性强，具备良好的韧性，可贴合在多种基底表面来使用，并能进行多次贴合、剥离的循环重复使用，可适用基体范围广，能够适应各种复杂环境下的防除冰的应用需求。
附图说明
图1为本发明可穿戴薄膜的结构示意图；
图2为本发明可穿戴薄膜的凹坑截面示意图；
图3为本发明可穿戴薄膜贴合在多种固体基体表面的应用示意图；
图4为本发明可穿戴薄膜表面的光学显微镜图；
图5为本发明可穿戴薄膜制备完成30天后的表面静态接触角示意图；
图6为本发明可穿戴薄膜制备完成30天后的表面超疏水性光学图；
图7为本发明可穿戴薄膜在0.35W/m2的光照强度下放置5分钟的热成像图；
图中，1-聚二甲基硅氧烷(PDMS)；2-光热材料；3-锥形凹坑；4-薄膜；5-应用基体。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例的一种防除冰可穿戴薄膜，薄膜厚度为0.5mm，薄膜由聚二甲基硅氧烷、固化剂(道康宁184)和Ti2C3按质量比2000:240:1配制固化而得，薄膜表面构筑有均匀分布的锥状凹坑正方形阵列结构，凹坑的直径为15μm,深度为10μm，凹坑间距20μm。
上述可穿戴薄膜的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1：将液态聚二甲基硅氧烷、固化剂(道康宁184)、Ti2C3按比例1000:100:1添加至烧杯中，随后由搅拌机对混合物进行120分钟，转速为80转每分钟搅拌处理。
步骤S2：将步骤S1得到的混合物倒入平底陶瓷基容器中，然后放入真空干燥箱中进行真空处理，真空干燥箱参数设定为温度：25℃；压强：-0.1MPa；每次真空处理时间为3分钟，重复真空处理操作5次。
步骤S3：将步骤S2所得盛有混合物的容器放置在真空干燥箱中进行快速固化，干燥箱参数设定为温度：80℃；时间：120分钟。
步骤S4：利用激光在步骤S3所得固化薄膜表面进行锥状凹坑阵列的构筑，获得表面分布有圆形锥状凹坑结构的薄膜；激光光束垂直入射于玻璃表面进行单点扫描；所述激光的光斑直径为15μm，脉冲能量为5mW,单点扫描时间为30000μs,单点扫描间距为20μm。
实施例2
本实施例的一种防除冰可穿戴薄膜，薄膜厚度为2mm，薄膜由聚二甲基硅氧烷、固化剂(道康宁184)和石墨烯按质量比200:16:1配制固化而得，薄膜表面构筑有均匀分布的锥状凹坑正方形阵列结构，凹坑的直径为20μm,深度为15μm，凹坑间距25μm。上述防除冰可穿戴薄膜的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1：将液态聚二甲基硅氧烷、固化剂(道康宁184)、石墨烯按质量比200:16:1添加至烧杯中，随后由搅拌机对混合物进行60分钟，转速为100转每分钟搅拌处理。
步骤S2：将步骤S1得到的混合物倒入平底陶瓷基容器中，然后放入真空干燥箱中进行真空处理，真空干燥箱参数设定为温度：20℃；压强：-0.08MPa；每次真空处理时间为5分钟，重复真空处理操作3次。
步骤S3：将步骤S2所得盛有混合物的容器放置在真空干燥箱中进行快速固化，干燥箱参数设定为温度：70℃；时间：100分钟。
步骤S4：利用激光在步骤S3所得固化薄膜表面进行锥状凹坑阵列的构筑，获得表面分布有圆形锥状凹坑结构的薄膜；激光光束垂直入射于玻璃表面进行单点扫描；所述激光的光斑直径为20μm，脉冲能量为8mW,单点扫描时间为40000μs,单点扫描间距为25μm。
实施例3
本实施例的一种防除冰可穿戴薄膜，薄膜厚度为1mm，薄膜由聚二甲基硅氧烷、固化剂(道康宁184)和四氧化三铁按质量比200:24:1配制固化而得，薄膜表面构筑有均匀分布的锥状凹坑正方形阵列结构，凹坑的直径为15μm,深度为5μm，凹坑间距15μm。上述一种高效光热/润湿双响应防除冰可穿戴薄膜的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1：将液态聚二甲基硅氧烷、固化剂(道康宁184)、四氧化三铁按质量比200:24:1添加至烧杯中，随后由搅拌机对混合物进行120分钟，转速为150转每分钟的搅拌处理。
步骤S2：将步骤S1得到的混合物倒入平底陶瓷基容器中，然后放入真空干燥箱中进行真空处理，真空干燥箱参数设定为温度：18℃；压强：-0.1MPa；每次真空处理时间为5分钟，重复真空处理操作5次。
步骤S3：将步骤S2所得盛有混合物的容器放置在真空干燥箱中进行快速固化，干燥箱参数设定为温度：55℃；时间：150分钟。
步骤S4：利用激光在步骤S3所得固化薄膜表面进行锥状凹坑阵列的构筑，获得表面分布有圆形锥状凹坑结构的薄膜；激光光束垂直入射于玻璃表面进行单点扫描；所述激光的光斑直径为10μm，脉冲能量为3mW,单点扫描时间为20000μs,单点扫描间距为15μm。
对比例1
一种厚度为1mm薄膜，薄膜由聚二甲基硅氧烷和固化剂(道康宁184)按质量比10:1配制固化而得，薄膜表面构筑有均匀分布的锥状凹坑正方形阵列结构，凹坑的直径为15μm,深度为10μm，凹坑间距20μm。
上述薄膜的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1：将液态聚二甲基硅氧烷、固化剂(道康宁184)按比例10:1添加至烧杯中，随后由搅拌机对混合物进行120分钟，转速为100转每分钟搅拌处理。
步骤S2：将步骤S1得到的混合物倒入平底陶瓷基容器中，然后放入真空干燥箱中进行真空处理，真空干燥箱参数设定为温度：25℃；压强：-0.1MPa；每次真空处理时间为3分钟，重复真空处理操作5次。
步骤S3：将步骤S2所得盛有混合物的容器放置在真空干燥箱中进行快速固化，干燥箱参数设定为温度：60℃；时间：120分钟。
步骤S4：利用激光在步骤S3所得固化薄膜表面进行锥状凹坑阵列的构筑，获得表面分布有圆形锥状凹坑结构的薄膜；激光光束垂直入射于玻璃表面进行单点扫描；所述激光的光斑直径为15μm，脉冲能量为5mW,单点扫描时间为30000μs,单点扫描间距为20μm。
本对比例与实施例1的区别在于，薄膜中不含有光热材料。
对比例2
一种厚度为1mm的薄膜，薄膜由聚二甲基硅氧烷、固化剂(道康宁184)和Ti2C3按质量比1000:100:1配制固化而得。
上述薄膜的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1：将液态聚二甲基硅氧烷、固化剂(道康宁184)、Ti2C3按比例1000:100:1添加至烧杯中，随后由搅拌机对混合物进行120分钟，转速为100转每分钟搅拌处理。
步骤S2：将步骤S1得到的混合物倒入平底陶瓷基容器中，然后放入真空干燥箱中进行真空处理，真空干燥箱参数设定为温度：25℃；压强：-0.1MPa；每次真空处理时间为3分钟，重复真空处理操作5次。
步骤S3：将步骤S2所得盛有混合物的容器放置在真空干燥箱中进行快速固化，干燥箱参数设定为温度：60℃；时间：120分钟。
基于实施例1，本对比例与实施例1的区别在于，薄膜表面无凹坑结构阵列。
对比例3
一种厚度为1mm薄膜，薄膜由聚二甲基硅氧烷、固化剂(道康宁184)和Ti2C3按质量比1000:100:1配制固化而得，薄膜表面构筑有均匀分布的锥状凹坑正方形阵列结构，凹坑的直径为15μm,深度为10μm，凹坑间距40μm。
上述薄膜的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1：将液态聚二甲基硅氧烷、固化剂(道康宁184)、Ti2C3按比例1000:100:1添加至烧杯中，随后由搅拌机对混合物进行120分钟，转速为100转每分钟搅拌处理。
步骤S2：将步骤S1得到的混合物倒入平底陶瓷基容器中，然后放入真空干燥箱中进行真空处理，真空干燥箱参数设定为温度：25℃；压强：-0.1MPa；每次真空处理时间为3分钟，重复真空处理操作5次。
步骤S3：将步骤S2所得盛有混合物的容器放置在真空干燥箱中进行快速固化，干燥箱参数设定为温度：60℃；时间：120分钟。
步骤S4：利用激光在步骤S3所得固化薄膜表面进行锥状凹坑阵列的构筑，获得表面分布有圆形锥状凹坑结构的薄膜；激光光束垂直入射于玻璃表面进行单点扫描；所述激光的光斑直径为15μm，脉冲能量为5mW,单点扫描时间为30000μs,单点扫描间距为40μm。
基于实施例1，本对比例与实施例1的区别在于，薄膜表面凹坑间距为40μm。
对比例4
一种厚度为1mm薄膜，薄膜由聚二甲基硅氧烷、固化剂(道康宁184)、Ti2C3按质量比1000:100:1配制固化而得，薄膜表面构筑有均匀分布的锥状凹坑正方形阵列结构，凹坑的直径为15μm,深度为3μm，凹坑间距20μm。
上述可穿戴薄膜的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1：将液态聚二甲基硅氧烷、固化剂(道康宁184)、Ti2C3按比例1000:100:1添加至烧杯中，随后由搅拌机对混合物进行120分钟，转速为100转每分钟搅拌处理。
步骤S2：将步骤S1得到的混合物倒入平底陶瓷基容器中，然后放入真空干燥箱中进行真空处理，真空干燥箱参数设定为温度：25℃；压强：-0.1MPa；每次真空处理时间为3分钟，重复真空处理操作5次。
步骤S3：将步骤S2所得盛有混合物的容器放置在真空干燥箱中进行快速固化，干燥箱参数设定为温度：60℃；时间：120分钟。
步骤S4：利用激光在步骤S3所得固化薄膜表面进行锥状凹坑阵列的构筑，获得表面分布有圆形锥状凹坑结构的薄膜；激光光束垂直入射于玻璃表面进行单点扫描；所述激光的光斑直径为15μm，脉冲能量为3mW,单点扫描时间为5000μs,单点扫描间距为20μm。
基于实施例1，本对比例与实施例1的区别在于，薄膜表面凹坑最大深度为3μm。
请参阅图1-4，针对上述实施例和对比例，实施例1-3均能得到具有高效光热/润湿双响应防除冰可穿戴薄膜，实现薄膜表面的超疏水防冰效应和光热除冰效应。；对比例1-4均不同时具备超疏水和光热性能，同时薄膜表面没有被动防冰和主动除冰的功能。
图5为本发明在制备完成30天后的表面静态接触角示意图，其表面静态接触角为160.622°。
图6为本发明在制备完成30天后水滴在薄膜表面的接触状态光学图。可以看到在经过长时间放置后，薄膜依然具备优异的超疏水特性。
图7为本发明在0.35W/m2的光照强度下，放置5分钟前后的热成像图。可以看到，薄膜温度随着光照时间的增加而上升，在前3分钟内，薄膜温度可迅速上升至50度左右，表明所制备的薄膜具备优异的光热性能。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种防除冰可穿戴薄膜，其特征在于，所述薄膜由疏水性高分子聚合物材料、固化剂与光热材料按比例配制固化而成,薄膜表面构筑有锥状凹坑的结构阵列,所述锥状凹坑结构尺度为微米级，在薄膜表面呈多边形阵列均匀分布，所述锥状凹坑结构阵列由激光直写技术构筑而成，所述凹坑间距为15-25μm，凹坑直径为15-20μm，凹坑深度为5-15μm；所述薄膜厚度为0.5-2mm。
2.根据权利要求1所述的防除冰可穿戴薄膜，其特征在于：所述疏水性高分子聚合物材料、固化剂、光热材料的质量比为200-2000：16-240:1。
3.根据权利要求1或2所述的防除冰可穿戴薄膜，其特征在于：所述的疏水性高分子聚合物材料为聚二甲基硅氧烷；所述光热材料为迈克烯、石墨烯、碳纳米管或四氧化三铁。
4.一种根据权利要求1-3所述的防除冰可穿戴薄膜的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、取质量比为200-2000：16-240:1的疏水性高分子聚合物材料、固化剂、光热材料，然后由搅拌机搅拌混合均匀，得到混合物；
S2、将混合均匀后的混合物倒入平底陶瓷容器中，然后放置在真空干燥箱中进行抽真空处理，去除混合物中的气泡；
S3、将真空处理后的混合物进行固化，获得表面平整的薄膜；
S4、利用激光对固化完成的薄膜表面进行凹坑阵列的构筑，获得表面分布有锥状凹坑阵列的薄膜。
5.根据权利要求4所述的防除冰可穿戴薄膜的制备方法，其特征在于：所述步骤S1搅拌过程中的搅拌转速为80-150转每分钟，搅拌时间为60-120分钟。
6.根据权利要求4所述的防除冰可穿戴薄膜的制备方法，其特征在于：所述步骤S2中的真空干燥箱参数设定压强为(-0.08)-(-0.1)MPa，温度为18-25℃，处理时间为5分钟；所述步骤S2中的抽真空处理重复进行3-5次。
7.根据权利要求4所述的防除冰可穿戴薄膜的制备方法，其特征在于：所述步骤S3中的固化处理是将经步骤S2处理后的混合物置于干燥箱中，干燥箱参数设定温度为55-80℃，处理时间为100-150分钟。
8.根据权利要求4所述的防除冰可穿戴薄膜的制备方法，其特征在于：所述步骤S4中激光的激光光束垂直于薄膜表面进行扫描；所述激光的光斑直径为10-20μm，脉冲能量为3-8mW,单点扫描时间为20000-40000μs,扫描线间距为15-25μm。
9.一种根据权利要求1-3所述的防除冰可穿戴薄膜在基体表面的应用，其特征在于：将表面分布有锥状凹坑阵列的薄膜粘贴在需要进行防除冰处理的基体表面，实现其防除冰的应用。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于：所述的基体表面是玻璃、陶瓷、金属、木材或固体聚合物的表面。
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