[发明专利]具有纳米结构的防冰自移除冷凝水滴表面的制造方法及其应用

说明书

本发明公开了具有纳米结构的防冰自移除冷凝水滴表面的制造方法，包括：制备纳米结构模板，表面形成纳米孔结构；对模板进行修饰；将模板固定于注塑模具的型腔表面上，采用注塑技术成型高分子制品，在其表面形成规整、有序排列的高纵横比的纳米结构。还涉及具有纳米结构的防冰自移除冷凝水滴表面的制造方法的应用。注塑高分子制品表面上的纳米结构防止水滴的浸润，降低表面的固‑液接触面积，降低表面与冷凝水滴的粘附力，降低固‑液界面的热交换，不需经低表面能修饰，制品表面即呈现高的静态和动态超疏水特性、冷凝微水滴自移除功能和防结冰性能，工序简单易操作，实现连续、批量、低成本制造，易于推广应用，属于仿生纳米结构表面的制造方法。

技术领域

本发明涉及仿生纳米结构表面的制造方法，特别涉及一种采用注塑技术制造表面具有纳米结构从而呈现防结冰且自移除冷凝水滴性能的高分子制品的方法及其应用。

背景技术

水在表面冷凝、结冰作为一种自然现象，会给工业和日常生活产生不利甚至严重影响。已研发出许多防冰和除冰方法，包括机械、电热和液体混合的方法。这些方法通过破冰和融冰而实现除冰，一般需要专用设备，难以满足轻量化和经济性的要求，还可能存在安全性和可靠性问题。

高分子材料作为当今世界应用广泛的材料，研究其表面的防结冰性能具有非常重要的意义。以自然界生物表面的纳米结构为灵感，采用模板法制造具有纳米结构的超疏水表面可以延长水滴的结冰时间。然而，如何制造具有合适纳米结构的模板，如何将模板表面的纳米结构准确复制到高分子材料表面并顺利脱模，是规模化制造用于防结冰的纳米结构超疏水表面的技术难点。

蝉翼表面上排列着紧密、规则的纳米柱状结构，纳米柱有一定的锥度，且顶部较圆。研究发现，在具有纳米结构的蝉翼表面上，水滴不仅呈现明显的疏水润湿状态，而且冷凝微液滴合并可引发从表面上跳跃的行为。因此，采用模板法制造表面具有高纵横比的锥形纳米结构的高分子制品，并研究制品表面的疏水、防结冰和冷凝水滴自移除等性能有重要的意义。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种采用注塑技术制造表面具有纳米结构从而呈现防结冰且自移除冷凝水滴性能的高分子制品的方法及其应用。

为了实现上述目的，本发明采用如下所述的技术方案。

一种具有纳米结构的防冰自移除冷凝水滴表面的制造方法，包括如下步骤。

(1)制备纳米结构模板，在其表面上形成高纵横比的纳米孔结构；

(2)对纳米结构模板进行修饰；

(3)将修饰后的纳米结构模板固定于注塑模具的型腔表面上，加热注塑模具，采用注塑机将高分子熔体注入模具型腔内，对熔体进行保压、冷却和定型后，在注塑制品表面上形成规整、有序排列的纳米结构，开模，取出注塑制品。

作为一种优选，步骤(1)中，纳米结构模板的厚度为0.1～3mm，表面纳米孔的直径为40～500nm、中心距为50～800nm、深度为150～2500nm。

作为一种优选，步骤(1)中，用于制备纳米结构模板的材料为超纯铝、铜合金、不锈钢或硅。

作为一种优选，步骤(1)中，根据模板材料的不同，模板表面纳米孔结构的制备方法为阳极氧化、光刻、化学刻蚀或激光刻蚀。

作为一种优选，步骤(2)中，将所制备的模板置于配置好的氟硅烷溶液中进行修饰。

作为一种优选，步骤(3)中，采用注塑机将高分子材料熔融、塑化成熔体，将熔体注入固定有纳米结构模板的注塑模具型腔内，在充模压力或同时在模具压缩力的作用下，熔体填充至模板的纳米孔中，对熔体进行保压、冷却和定型后，在注塑制品表面上形成规整、有序排列的纳米结构。

作为一种优选，步骤(3)中，注塑高分子制品表面上纳米结构为柱状、针状、丝状或绒毛状，纳米结构的直径、高度和间距均为纳米级。