本发明属于材料领域，涉及一种耐久性抗冰超疏水涂层及其制备方法。
背景技术：
：：自然界中荷叶表面具有对水的极度不浸润性，称之为超疏水现象。人们通过研究发现，荷叶表面具有微米、纳米的二级层次结构，且表面覆盖了一层低表面能的蜡质，故而具备超疏水性能。因此，通过各种方式制备这种分级结构和后期的低表面能修饰，可以获得仿生超疏水界面。超疏水界面因其优异的抗水、斥水性能，在水下减阻、自清洁表面、金属防护以及防冰抗冰领域有巨大的应用前景。目前超疏水涂层存在的主要问题是脆弱的表面结构。虽然制备超疏水界面的方式多种多样，但在很轻外界刮擦情况下，表面结构即可遭到破坏，从而失去超疏水性，这是制约其大范围实际工业化的瓶颈问题。Peng等在纯铝表面制备了具有耐磨性能的超疏水涂层（ChemicallyStableandMechanicallyDurableSuperamphiphobicAluminumSurfacewithaMicro/NanoscaleBinaryStructure，ACSAppl.Mater.Interfaces,2014,6(17),pp15188–15197）。他们将纯铝打磨、超生清洗后，放入2.5M的HCl溶液中进行刻蚀，然后将涂层干燥后放入120°C的高压反应釜中进行水热反应，以获得界面微纳米结构；最后，将涂层浸置于全氟硅烷中进行表面改性，获得超疏水涂层。这种方式对基底种类限定较为严格，只能在铝合金表面进行。同时，由于需要水热反应进行表面微纳米化，因此对样品尺寸、大小有严格规定。C.P.Wong课题组成功的在硅片上制备了具有一定机械稳定性的超疏水涂层（MechanicallyrobustsuperhydrophobicityonhierarchicallystructuredSisurfaces，Nanotechnology21(2010)155705）。他们利用H2O2和HF酸协同刻蚀的方式，在Si片上制备出纳米结构，并进行了摩擦测试。虽然具备一定的机械稳定性，但是其在较为光滑的抹布上进行的摩擦，且最大摩擦25cm以后便失去了超疏水性，因此稳定性仍需提高。技术实现要素：本发明的目的在于提供一种耐久性抗冰超疏水涂层及其制备方法，该界面底部金属沟槽结构、中间高分子层、上部纳米颗粒-高分子复合层组成。所述耐久性抗冰超疏水涂层通过利用激光将打磨抛光后的钢材进行处理，得到底部沟槽结构；然后将超高分子聚乙烯溶液喷涂至沟槽结构表面后干燥，得到中间高分子层；最后，将超高分子聚乙烯和改性疏水Al2O3纳米颗粒的混合物喷涂在基底上，得到上部纳米颗粒-高分子复合层。该涂层经过外界磨损后仍具有超疏水性和优异的抗冰效果。实现本发明目的的技术解决方案为：一种耐久性抗冰超疏水涂层，由部金属沟槽结构、中间高分子层、上部纳米颗粒-高分子复合层组成。进一步，所述金属沟槽结构是利用激光打磨抛光后的钢材沟槽结构；所述的沟槽凹形结构深度为200~300μm，宽度为50~150μm；凸形结构宽度为100~200μm。所述高分子层是将超高分子聚乙烯溶液喷涂至沟槽结构表面后干燥得到；所述的超高分子聚乙烯分子量为5000000，喷涂所用溶剂均为十氢化萘。所述的纳米Al2O3颗粒粒径为50~100nm，其疏水处理为将纳米颗粒浸在0.05~0.08mol/L的十七氟癸基三乙氧基硅烷的乙醇溶液中，浸泡温度为50~60°C，浸泡时间为3~4h。上述耐久性抗冰超疏水涂层的制备方法，包括以下步骤：1）利用激光将打磨抛光后的钢材进行处理，得到底部沟槽结构；2）将超高分子聚乙烯溶液喷涂至沟槽结构表面后干燥，得到中间高分子层；3）将超高分子聚乙烯和改性疏水Al2O3纳米颗粒的混合物喷涂在基底上，得到上部纳米颗粒-高分子复合层。所述的超高分子聚乙烯溶液的浓度为2~5g/L，喷涂温度为150°C。所述的疏水纳米Al2O3颗粒的浓度为20~40g/L，超高分子量聚乙烯浓度为6~10g/L，喷涂温度为150°C。与现有技术相比，本发明其显著优点为：1）以超高分子聚乙烯的优异机械稳定性为纳米颗粒提供机械支撑，涂层具有良好的耐磨性；2）本发对基底材料的尺寸、形状没有要求，可实现大范围的制备；3）本发明具有优异的抗冰性能。附图说明图1为实施例1耐久性抗冰超疏水涂层的水滴接触角、滚动角。图2为实施例1耐久性抗冰超疏水涂层磨损后的水滴接触角、滚动角。图3为实施例1涂层的结冰状况对比图。具体实施方式下面结合实施例对本发明作进一步详细的说明。实施例1（1）钢材经过抛光后，用激光处理得到沟槽结构，凹形结构深度为250μm，宽度为100μm；凸形结构宽度为120μm；（2）将步骤（1）得到的样品清洗后，将浓度为4g/L超高分子聚乙烯的十氢化萘溶液喷涂至沟槽结构表面后干燥，得到中间高分子层。（3）将粒径为70nm的Al2O3颗粒，浸在0.06mol/L的十七氟癸基三乙氧基硅烷的乙醇溶液中，浸泡温度为55°C，浸泡时间为3.5h。（4）将步骤（3）得到的疏水纳米Al2O3颗粒、超高分子聚乙烯加入十氢化萘中，保持Al2O3浓度为35g/L，超高分子量聚乙烯浓度为8g/L。将上述混合加热至150°C后喷涂在步骤（2）所述的涂层上干燥，得到上部纳米颗粒-高分子复合层。制备得到涂层上，水滴静态接触角达到160°，滚动角为2°，如图1所示。在5kPa、200＃砂纸上打磨2m后，接触角为155°、滚动角为5°，如图2所示。摩擦测试后，放置于-20°C、90%湿度的冷凝结冰测试环境下，涂层表面未出现明显的冰霜，说明涂层具备优异的抗冰性能，如图3所示。实施例2（1）钢材经过抛光后，用激光处理得到沟槽结构，凹形结构深度为200μm，宽度为150μm；凸形结构宽度为100μm；（2）将步骤（1）得到的样品清洗后，将浓度为5g/L超高分子聚乙烯的十氢化萘溶液喷涂至沟槽结构表面后干燥，得到中间高分子层。（3）将粒径为50nm的Al2O3颗粒，浸在0.07mol/L的十七氟癸基三乙氧基硅烷的乙醇溶液中，浸泡温度为50°C，浸泡时间为4h。（4）将步骤（3）得到的疏水纳米Al2O3颗粒、超高分子聚乙烯加入十氢化萘中，保持Al2O3浓度为40g/L，超高分子量聚乙烯浓度为6g/L。将上述混合加热至150°C后喷涂在步骤（2）所述的涂层上干燥，得到上部纳米颗粒-高分子复合层。制备得到涂层上，水滴静态接触角达到155°，滚动角为4°。在5kPa、200＃砂纸上打磨2m后，接触角为153°、滚动角为8°。摩擦测试后，放置于-20°C、90%湿度的冷凝结冰测试环境下，涂层表面未出现明显的冰霜，说明涂层具备优异的抗冰性能。实施例3（1）钢材经过抛光后，用激光处理得到沟槽结构，凹形结构深度为300μm，宽度为50μm；凸形结构宽度为200μm；（2）将步骤（1）得到的样品清洗后，将浓度为3g/L超高分子聚乙烯的十氢化萘溶液喷涂至沟槽结构表面后干燥，得到中间高分子层。（3）将粒径为90nm的Al2O3颗粒，浸在0.08mol/L的十七氟癸基三乙氧基硅烷的乙醇溶液中，浸泡温度为60°C，浸泡时间为3h。（4）将步骤（3）得到的疏水纳米Al2O3颗粒、超高分子聚乙烯加入十氢化萘中，保持Al2O3浓度为30g/L，超高分子量聚乙烯浓度为8g/L。将上述混合加热至150°C后喷涂在步骤（2）所述的涂层上干燥，得到上部纳米颗粒-高分子复合层。制备得到涂层上，水滴静态接触角达到154°，滚动角为3°。在5kPa、200＃砂纸上打磨2m后，接触角为151°、滚动角为4°。摩擦测试后，放置于-20°C、90%湿度的冷凝结冰测试环境下，涂层表面未出现明显的冰霜，说明涂层具备优异的抗冰性能。对比例1（1）钢材经过抛光后，用激光处理得到沟槽结构，凹形结构深度为200μm，宽度为150μm；凸形结构宽度为100μm；（2）将步骤（1）得到的样品清洗后，将浓度为2g/L超高分子聚乙烯的十氢化萘溶液喷涂至沟槽结构表面后干燥，得到中间高分子层。（3）将粒径为50nm的Al2O3颗粒，浸在0.05mol/L的十七氟癸基三乙氧基硅烷的乙醇溶液中，浸泡温度为550°C，浸泡时间为3.5h。（4）将步骤（3）得到的疏水纳米Al2O3颗粒、超高分子聚乙烯加入十氢化萘中，保持Al2O3浓度为20g/L，超高分子量聚乙烯浓度为7g/L。将上述混合加热至150°C后喷涂在步骤（2）所述的涂层上干燥，得到上部纳米颗粒-高分子复合层。制备得到涂层上，水滴静态接触角达到130°，不具备超疏水性能。放置于-20°C、90%湿度的冷凝结冰测试环境下，涂层表面出现明显的冰霜，说明涂层不具备抗冰性能。对比例2（1）钢材经过抛光后，用激光处理得到沟槽结构，凹形结构深度为300μm，宽度为150μm；凸形结构宽度为120μm；（2）将步骤（1）得到的样品清洗后，将浓度为2g/L超高分子聚乙烯的十氢化萘溶液喷涂至沟槽结构表面后干燥，得到中间高分子层。（3）将粒径为100nm的Al2O3颗粒，浸在0.06mol/L的十七氟癸基三乙氧基硅烷的乙醇溶液中，浸泡温度为55°C，浸泡时间为3.5h。（4）将步骤（3）得到的疏水纳米Al2O3颗粒、超高分子聚乙烯加入十氢化萘中，保持Al2O3浓度为25g/L，超高分子量聚乙烯浓度为10g/L。将上述混合加热至150°C后喷涂在步骤（2）所述的涂层上干燥，得到上部纳米颗粒-高分子复合层。制备得到涂层上，水滴静态接触角达到100°，不具备超疏水性能。，放置于-20°C、90%湿度的冷凝结冰测试环境下，涂层表面出现明显的冰霜，说明涂层不具备抗冰性能。当前第1页1 2 3 当前第1页1 2 3