CN115785771B

CN115785771B - 一种基于Ti3C2Tx MXene@IL纳米材料的光热超疏水涂料及其制备方法

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Publication number: CN115785771B
Application number: CN202211642953.9A
Authority: CN
Inventors: 樊小强; 蔡猛; 何灿; 黄宇; 李文
Original assignee: Southwest Jiaotong University
Current assignee: Southwest Jiaotong University
Priority date: 2022-12-20
Filing date: 2022-12-20
Publication date: 2023-08-18
Anticipated expiration: 2042-12-20
Also published as: CN115785771A

Abstract

本发明公开了一种用于高压输电线的基于Ti₃C₂T_xMXene@IL纳米材料的光热超疏水涂料，包括以下质量百分比的组分：树脂5％～10％、固化剂1％～5％、光热填料0.1％～0.5％、超疏水填料5％～10％、稀释剂60％～90％、分散剂0.1％～1％。所述光热填料为少层Ti₃C₂T_x MXene@IL纳米片，所述IL为1‑胺丙基‑3‑甲基咪唑硝酸盐。所述超疏水填料为纳米Al₂O₃和聚二甲基硅氧烷。所述树脂选自环氧树脂E44、E51、E20中的一种。所述稀释剂选自丙酮、无水乙醇、乙酸乙酯、二甲苯中的一种。本发明有效地解决了少层Ti₃C₂T_xMXene纳米片在树脂中团聚的问题，提高了Ti₃C₂T_xMXene@IL光热超疏水涂层的光热转换能力，将MXene光热效应与超疏水巧妙结合，有效地降低高压输电线表面冰粘附强度并延迟或抑制冰冻，具有绿色环保、耐候性强、耐腐蚀性好、超疏水等优异性能。

Description

一种基于Ti3C2Tx MXene@IL纳米材料的光热超疏水涂料及其制备方法

技术领域

本发明涉及超疏水涂料技术领域，尤其是一种用于高压输电线的新型Ti₃C₂T_xMXene@IL光热超疏水涂料及其制备方法。

背景技术

我国是世界上使用最广泛、用量最大的能源国家，电网覆盖面积达到了国土的90％以上。电缆作为专业的电路传输载体，是电网铺设的基础，在电力发展中发挥着重要作用，其安全性不言而喻。近年来，在我国的江南地区，冬季经常会出现极寒、冻雨、雨雪、结冰等极端气候变化。高压输电线上常常会因雨雪凝结成冰，造成线缆断裂或者电路短路，影响电网正常输电。一旦高压输电线出现故障，不仅会给我国带来巨大的经济损失，更会引发一系列的社会问题。

高压输电线一般由多股金属导线组成，表面亲水，在易降冻雨或极寒，雷暴冰冻的江南地区，输电线表面会凝结冰层，而当冰层厚度超过承载临界值时，将使电网线路因载荷超重而毁坏。虽然此类事件鲜有发生，但一旦出现，带来的经济损失以及社会问题是不可估量的。而造成这次灾难的元凶就是极端天气造成的输电线结冰，从而使输电线超载断裂。目前，防结冰涂料研制是防结冰的主要防护措施之一。主要包括光热型防结冰涂料、电热型防结冰涂料和疏水型涂料三类。而单一的涂料具有各自缺点，比如光线不强、电能损耗较大、理化性能不佳等。

发明内容

针对现有的超疏水涂料光热性、疏水性、耐候性及耐腐蚀介质性能难以满足高压输电线防结冰的使用需要，本发明提供一种用于高压输电线的基于Ti₃C₂T_x MXene@IL纳米材料的光热超疏水涂料。

本发明提供的用于高压输电线的基于Ti₃C₂T_x MXene@IL纳米材料的光热超疏水涂料，包括以下质量百分比的组分：树脂5％～10％、固化剂1％～5％、光热填料0.1％～0.5％、超疏水填料5％～10％、稀释剂60％～90％、分散剂0.1％～1％。

所述光热填料为少层Ti₃C₂T_x MXene@IL纳米片，所述IL为1-胺丙基-3-甲基咪唑硝酸盐。

所述超疏水填料为纳米Al₂O₃和聚二甲基硅氧烷。纳米Al₂O₃直径为20～50nm

所述树脂选自环氧树脂E44、E51、E20中的一种。

所述稀释剂选自丙酮、无水乙醇、乙酸乙酯、二甲苯中的一种。

所述分散剂选自BYK-P104S、BYK-P104、BYK-110中的一种。

所述固化剂为聚酰胺固化剂、酚醛胺固化剂、脱醇型固化剂、烷氧基硅烷固化剂中的两种。优选固化剂为聚酰胺固化剂和烷氧基硅烷固化剂。

所述的基于Ti₃C₂T_x MXene@IL纳米材料的光热超疏水涂料的制备方法，步骤如下：

S1、将IL溶解到去离子水中制备IL分散液；将少层Ti₃C₂T_x MXene纳米片加入到IL分散液中，加热温度80℃反应12h，反应完后离心分离，清洗，干燥，获得少层Ti₃C₂T_x MXene@IL纳米粉末。

S2、将稀释剂等分为两份，将纳米Al₂O₃颗粒均匀分散在一份稀释剂中；将少层Ti₃C₂T_x MXene@IL纳米粉末加入到含纳米Al₂O₃颗粒的稀释剂溶液中，并加入分散剂，然后在室温下超声分散10～15min得到混合浆料；

S3、向混合浆料中加入树脂和PDMS，搅拌均匀；

S4、向步骤S3获得的浆料中加入固化剂和另一份稀释剂，搅拌混合，然后室温除气后得到Ti₃C₂T_x MXene@IL纳米材料的光热超疏水涂料。

优选的是，步骤S1中，所述1-胺丙基-3-甲基咪唑硝酸盐占IL分散液的质量分数为1wt.％；少层Ti₃C₂T_x MXene纳米片占IL分散液的质量分数为2wt.％。

步骤S2中，所述纳米Al₂O₃颗粒占Ti₃C₂T_x MXene@IL光热超疏水涂料质量分数为2wt.％～5wt.％。

将Ti₃C₂T_x MXene@IL纳米材料的光热超疏水涂料喷涂后干燥固化，得到基于Ti₃C₂T_x MXene@IL纳米材料的光热超疏水涂层。

与现有技术相比，本发明的有益之处在于：

(1)本发明采用1-胺丙基-3-甲基咪唑硝酸盐离子液体改性少层Ti₃C₂T_x MXene纳米片，改性剂环境友好，改性条件温和，操作工艺简单，IL的改性避免了少层Ti₃C₂T_x MXene纳米片在树脂中出现的团聚问题，大大提高了其在树脂中的分散性，进一步地，提高了Ti₃C₂T_x MXene@IL光热超疏水涂层的光热转换能力。

(2)本发明采用少层Ti3C₂T_x MXene@IL纳米片作为光热填料，将Ti₃C₂T_x MXene光热效应与超疏水性能相结合，利用疏水性能防止表面结冰，光源辐照后涂层表升温实现表面除冰，有效避免传统除冰技术如气热除冰、电热除冰、机械除冰存在的能源消耗大、除冰时间有限等问题。

(3)利用纳米颗粒Al₂O₃构造表面粗糙结构、具有高热稳定性、机械稳定性、耐紫外老化、耐腐蚀等特性；选取聚二甲基硅氧烷PDMS达到降低表面自由能的目的，提高疏水性能，同时具有粘附性，增强纳米粒子之间以及与基底之间的粘附性。根据填料和环氧树脂的特性简化工艺，成本低廉，为实现规模化生产和实际应用奠定技术基础。

(4)本发明提供的新型Ti₃C₂T_x MXene@IL基光热超疏水涂料用于高压输电线，有效服役于不同苛刻工况，相比于传统的超疏水涂料，拥有更好的光热性、耐候性及耐腐蚀性能。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明中所制备少层Ti₃C₂T_x MXene@IL纳米片的TEM镜图像。

图2为本发明的基于Ti₃C₂T_x MXene@IL纳米材料的光热超疏水涂层的结构示意图。

图3为本发明实施例1所制备的基于Ti₃C₂T_x MXene@IL光热超疏水涂层表面SEM图像；

图4为本发明实施例1所制备的基于Ti₃C₂T_x MXene@IL光热超疏水涂层水静态接触角图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

一种基于Ti₃C₂T_x MXene@IL纳米材料的光热超疏水涂料，该涂料以环氧树脂为基体、Al₂O₃及PDMS为超疏水填料、少层Ti₃C₂T_x MXene@IL纳米片为光热填料制成。所述少层Ti₃C₂T_x MXene@IL纳米片在树脂中的质量百分比为1wt.％。

具体制备步骤如下：

S1、将0.2g的1-胺丙基-3-甲基咪唑硝酸盐溶解到20mL去离子水中，充分搅拌，使其完全溶解得到IL分散液；将0.1g少层Ti₃C₂T_x MXene纳米片分散到IL分散液中，置于80℃下搅拌反应12小时，经离心清洗、干燥后，获得少层Ti₃C₂T_x MXene@IL纳米粉末。少层Ti₃C₂T_xMXene@IL纳米片的TEM图像见图1。

S2、使用探针超声技术，在室温下将4g纳米Al₂O₃颗粒均匀分散在40mL乙酸乙酯中，得到乙酸乙酯溶液；将0.1g少层Ti₃C₂T_x MXene@IL纳米粉末加入乙酸乙酯溶液中，并加入0.2g分散剂BYK-P104S，然后在室温下超声分散15min得到混合浆料。

S3、向混合浆料加入10g环氧树脂、4g PDMS，在室温下以1000rpm的速率搅拌10min。

S4、向步骤S3获得的浆料中加入2g聚酰胺固化剂、1g烷氧基硅烷固化剂和40mL乙酸乙酯，在室温下以2000rpm的速率搅拌5min，然后室温除气后得到基于Ti₃C₂T_x MXene@IL纳米材料的光热超疏水涂料。

最后使用0.5mm口径喷枪对经砂纸打磨、丙酮清洗后的基材喷涂，在100℃下固化5小时，得到基于Ti₃C₂T_x MXene@IL纳米材料的光热超疏水涂层。

该光热超疏水涂层的结构如图2所示。光热超疏水涂层表面SEM图像见图3。光热超疏水涂层水静态接触角见图4。

实施例2

本实施例基于实施例1，与实施例1的区别在于：

所述少层Ti₃C₂T_x MXene@IL纳米片添加量为0.2g，在树脂中的质量百分比为2wt.％。

实施例3：

本实施例基于实施例1，与实施例的区别在于：

所述少层Ti₃C₂T_x MXene@IL纳米片添加量为0.3g，在树脂中的质量百分比为3wt.％。

实施例4：

本实施例基于实施例1，与实施例的区别在于：

所述少层Ti₃C₂T_x MXene@IL纳米片添加量为0.4g，在树脂中的质量百分比为4wt.％。

实施例5：

本实施例基于实施例1，与实施例的区别在于：

所述少层Ti₃C₂T_x MXene@IL纳米片添加量为0.5g，在树脂中的质量百分比为5wt.％。

对比例1：

本实施例基于实施例1，与实施例的区别在于：

所述少层Ti₃C₂T_x MXene@IL纳米片添加量为0g，在树脂中的质量百分比为0wt.％。

对比例2：

本实施例基于实施例1，与实施例的区别在于：

所添加光热填料为未经IL改性的少层Ti₃C₂T_x MXene纳米片，所述少层Ti₃C₂T_xMXene纳米片添加量为0.4g，在树脂中的质量百分比为4wt.％。

将实施例1-5、对比例1和2制备的涂层放置于统一光源下照射24h，利用温度检测仪记录涂层表面温度随光照时间的变化，测试结果如表1所示。

表1温度检测结果

从表1可以看出，适量少层Ti₃C₂T_x MXene纳米片的加入能明显提高涂层表面温度，这是由于少层Ti₃C₂T_x MXene纳米片在光照下产生了良好的光热效应；加入适量经离子液体改性的少层Ti₃C₂T_x MXene@IL纳米片后，超疏水涂层的光热效应进一步得到提高，与添加未经改性的Ti₃C₂T_x MXene涂层相比，表面温度明显提升。这是因为：经IL改性的少层Ti₃C₂T_xMXene纳米片在树脂中的分散性大大提高，避免了纳米片的团聚，能最大化发挥少层Ti₃C₂T_xMXene@IL纳米片的光热转换能力。因此，所制备基于Ti₃C₂T_x MXene@IL纳米材料的光热超疏水涂层具备提供热能抑制冰冻的能力。

将实施例1-5、对比例1和2制备的涂层进行接触角测试，测试结果如表2所示。

表2接触角测试结果

实施例1

实施例2

实施例3

实施例4

实施例5

对比例1

对比例2

接触角

162°

159°

158°

156°

155°

165°

156°

表2结果表明，亲水性少层Ti₃C₂T_x MXene@IL纳米片的加入导致涂层表面接触角有所降低，但其依旧满足超疏水性能(≥150°)。综合考虑光热效应与疏水性能，选择4wt.％少层Ti₃C₂T_x MXene@IL纳米片作为最佳添加量。

综上，本发明有效地解决了少层Ti₃C₂T_x MXene纳米片在树脂中团聚的问题，提高了Ti₃C₂T_x MXene@IL光热超疏水涂层的光热转换能力，将MXene光热效应与超疏水巧妙结合，有效地降低高压输电线表面冰粘附强度并延迟或抑制冰冻，具有绿色环保、耐候性强、耐腐蚀性好、超疏水等优异性能。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims

1.一种基于Ti₃C₂T_xMXene@IL纳米材料的光热超疏水涂料，其特征在于，包括以下质量百分比的组分：树脂5％～10％、固化剂1％～5％、光热填料0.1％～0.5％、超疏水填料5％～10％、稀释剂60％～90％、分散剂0.1％～1％；

所述树脂选自环氧树脂E44、E51、E20中的一种；

所述光热填料为少层Ti₃C₂T_xMXene@IL纳米片，所述IL为1-胺丙基-3-甲基咪唑硝酸盐；

所述超疏水填料为纳米Al₂O₃和聚二甲基硅氧烷。

2.如权利要求1所述的基于Ti₃C₂T_xMXene@IL纳米材料的光热超疏水涂料，其特征在于，所述稀释剂选自丙酮、无水乙醇、乙酸乙酯、二甲苯中的一种。

3.如权利要求1所述的基于Ti₃C₂T_xMXene@IL纳米材料的光热超疏水涂料，其特征在于，所述分散剂选自BYK-P104S、BYK-P104、BYK-110中的一种。

4.一种如权利要求1-3任意一项所述的基于Ti₃C₂T_xMXene@IL纳米材料的光热超疏水涂料的制备方法，其特征在于，步骤如下：

S1、将IL溶解到去离子水中制备IL分散液；将少层Ti₃C₂T_xMXene纳米片加入到IL分散液中，加热温度80℃反应12h，反应完后分离，干燥，获得少层Ti₃C₂T_xMXene@IL纳米粉末；

S2、将稀释剂等分为两份，将纳米Al₂O₃颗粒均匀分散在一份稀释剂中；将少层Ti₃C₂T_xMXene@IL纳米粉末加入到含纳米Al₂O₃颗粒的稀释剂溶液中，并加入分散剂，然后在室温下超声分散10～15min得到混合浆料；

S3、向混合浆料中加入树脂和PDMS，搅拌均匀；

S4、向步骤S3获得的浆料中加入固化剂和另一份稀释剂，搅拌混合，得到Ti₃C₂T_xMXene@IL纳米材料的光热超疏水涂料。

5.如权利要求4所述的基于Ti₃C₂T_xMXene@IL纳米材料的光热超疏水涂料的制备方法，其特征在于，步骤S1中，少层Ti₃C₂T_xMXene纳米片占IL分散液的质量分数为2wt.％。