[发明专利]一种仿生微纳复合结构防覆冰表面及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于化学、材料技术领域，涉及一种仿生微纳复合结构防覆冰表面及其制备方法。

背景技术

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℃，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。

发明内容

本发明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℃下材料表面液滴超过1.5小时不结冰的防覆冰效果。

本发明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，本发明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。

本发明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℃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℃，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-0.1Mpa以下；将真空瓶放入烘箱中，保持90℃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。