一种具有光热效应的超疏水薄膜及其制备方法与流程

本发明涉及一种具有光热效应的超疏水薄膜及其制备方法，属于功能材料技术领域。

背景技术：

材料表面覆冰给通讯设施、铁路运输、航空航海等领域造成了严重的安全隐患和财产损失。超疏水微纳材料具有独特的气垫结构，使得液滴在其表面形成固-液-气三相共存界面，有利于延缓或阻止结冰。但是，在复杂的自然环境下，水滴或水雾会不可避免地在材料表面结冰，因此需要采用一定的方法快速去除表面覆冰。常见的除冰方法有自然除冰法、机械除冰法和加热除冰法等，其中加热法具有可靠性强、过程简便等优点，具有良好的除冰效果。但是，用外加热源对设备加热的方法在实际操作中受到环境温度、基材尺寸以及是否方便拆卸等多方面因素的限制。光热转化可以将太阳光、激光等的能量直接转化为热能，是一种高效、环保、便捷的加热方式。因此，开发具有光热效应的超疏水薄膜在防冰、除冰等领域具有重要的意义。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种具有光热效应的超疏水薄膜，以及利用倾斜生长方法制备该光热材料-低表面能物质复合纳米薄膜的方法。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种具有光热效应的超疏水薄膜，其特征在于，该薄膜是由一层具有光热效应的纳米结构和一层低表面能物质组成的复合纳米薄膜。

进一步地，所述光热材料为氮化钛、银、铜或四氧化三铁；所述低表面能物质为聚四氟乙烯ptfe、聚乙烯pe、聚丙烯pp、聚苯乙烯ps或聚对苯二甲酸乙二醇酯pet。

进一步地，所述光热纳米结构为直棒、斜棒或螺旋棒阵列，沉积厚度为100～2000nm；低表面能结构为直棒、斜棒或螺旋棒阵列，沉积厚度为20～1000nm。

一种如上所述的具有光热效应的超疏水薄膜的制备方法，其特征在于，包括步骤如下：

(1)利用电子束沉积的倾斜生长方法，在基底上沉积光热纳米结构；

(2)转换蒸发材料，在光热纳米结构的顶端沉积低表面能物质，得到复合纳米结构作为具有光热效应的超疏水薄膜。

进一步地，步骤(1)中利用倾斜生长方法制备光热纳米结构的方法为：采用氮化钛、银、铜或四氧化三铁为靶材，将电子束蒸发镀膜机腔室抽至10^－5pa以下的高真空，调整电子束入射角为80～89°，并使样品台静止或以2～10rpm的速率匀速旋转，利用电子束蒸镀在基底上沉积100～2000nm的光热纳米结构。

进一步地，步骤(2)中利用倾斜生长方法制备低表面能纳米结构的方法为：转换蒸发材料为聚四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯或聚对苯二甲酸乙二醇酯，调整电子束入射角为80～88°，并使样品台静止或以2～10rpm的速率匀速旋转，在光热纳米结构的顶端沉积20～1000nm的低表面能物质。

本发明具有以下优点及突出性的技术效果：本发明利用倾斜生长技术制备了一种具有光热效应的超疏水复合薄膜。表层的低表面能物质具有优异的超疏水性能，液滴在超疏水微纳结构表面形成固-液-气三相共存界面，有利于延缓或阻止结冰；具有光热转化性能的纳米结构可以将光能直接转化为热能，产生的热量可以融化材料表面的覆冰，除冰过程高效、环保、便捷。本发明的薄膜制备工艺简单，具有超疏水性及光照产热能力，防冰/除冰性能优异，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1a为实施例1中制备的氮化钛-聚四氟乙烯复合薄膜的扫描电镜照片；图1b为实施例1中制备的氮化钛-聚四氟乙烯复合薄膜在不同光入射角、不同波长下的反射率曲线。

图2a为实施例2中制备的银-聚苯乙烯复合薄膜上水的接触角照片；图2b为实施例2中制备的银-聚苯乙烯复合薄膜上水的滚动角照片。

图3为实施例3中制备的铜-聚对苯二甲酸乙二醇酯复合薄膜在激光照射下，(a)0秒、(b)15秒、(c)30秒、(d)50秒时表面冰层逐渐融化的照片。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的说明。

本发明采用倾斜生长方法制备了一种具有光热效应的超疏水薄膜。本发明首先在基底表面沉积一层具有光热效应的纳米结构，再在其表面沉积一层低表面能物质，该复合纳米结构可以作为防/除冰薄膜。所用光热材料为氮化钛、银、铜或四氧化三铁，低表面能物质为聚四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯或聚对苯二甲酸乙二醇酯。该复合薄膜利用低表面能物质提高了基底的疏水性，可以延缓或阻止结冰；光热效应使基底在光照条件下产生强烈的温升，可融化表面覆冰。本发明的薄膜制备工艺简单，具有超疏水性及光照产热能力，防/除冰性能良好，具有广阔的应用前景。

下面结合附图1～3和实施例对本发明予以具体说明。下述实施例是说明性的，不是限定性的，不能以下述实施例来限定本发明的保护范围。

实施例1

1.将钢片用砂纸打磨，再用丙酮、酒精、去离子水顺序超声清洗并晾干；

2.将清洁的基片固定在电子束蒸发镀膜机的样品台上，并将电子束蒸发镀膜机的腔室抽至10^－5pa以下的高真空；

3.调整电子束的入射角为89°，并使样品台静止，在基片上沉积200nm的氮化钛斜棒阵列；

4.转换蒸发材料为聚四氟乙烯，调整电子束的入射角为82°，并使样品台以2rpm的转速转动，在氮化钛斜棒阵列的顶端沉积100nm的聚四氟乙烯。

图1a为实施例1中制备的氮化钛-聚四氟乙烯复合薄膜的扫描电镜照片；图1b为实施例1中制备的氮化钛-聚四氟乙烯复合薄膜在不同光入射角、不同波长下的反射率曲线。图1a可以清楚地看到氮化钛纳米斜棒阵列(层1)和低表面能物质层(层2)，两层均分立性良好。图1b说明所制备的氮化钛-聚四氟乙烯复合薄膜在可见光和近红外波长范围内均具有较低的反射率，光吸收率超过95％，有助于将吸收的光能转化为热能。

实施例2

1.将铝片用砂纸打磨，再用丙酮、酒精、去离子水顺序超声清洗并晾干；

2.将清洁的基片固定在电子束蒸发镀膜机的样品台上，并将电子束蒸发镀膜机的腔室抽至10^－5pa以下的高真空；

3.调整电子束的入射角为85°，并使样品台以4rpm的转速转动，在基片上沉积1000nm的银直棒阵列；

4.转换蒸发材料为聚苯乙烯，调整电子束的入射角为85°，并使样品台以5rpm的转速转动，在银直棒阵列的顶端沉积500nm的聚苯乙烯。

图2为实施例2中制备的银-聚苯乙烯复合薄膜上水的接触角和滚动角照片。由于聚苯乙烯的表面能很低，且纳米棒结构的孔隙率很大，因此聚苯乙烯纳米结构具有很大的水接触角～156.2°和很小的滚动角～2°。这有利于减少液滴在材料表面停留的机率，可以延缓或阻止结冰。

实施例3

1.将镁合金片用砂纸打磨，再用丙酮、酒精、去离子水顺序超声清洗并晾干；

2.将清洁的基片固定在电子束蒸发镀膜机的样品台上，并将电子束蒸发镀膜机的腔室抽至10^－5pa以下的高真空；

3.调整电子束的入射角为82°，并使样品台以10rpm的转速转动，在基片上沉积2000nm的铜直棒阵列；

4.转换蒸发材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯pet，调整电子束的入射角为88°，并使样品台静止，在铜直棒阵列的顶端沉积1000nm的pet。

图3为用实施例3中制备的铜-聚对苯二甲酸乙二醇酯pet复合薄膜在激光照射下，表面冰层逐渐融化的照片。由于铜的纳米结构具有表面等离子体性质，在一定波长光的照射下会发生表面等离子体共振，将光能转化为热能，光热效应产生的热量可以融化材料的表面覆冰。