一种具有荷叶仿生结构的防结垢水管材料及其制备方法与流程

本发明涉及高分子材料，具体涉及一种具有荷叶仿生结构的防结垢水管材料及其制备方法。

背景技术：

1、水管结垢是一个普遍且长期存在的问题，特别是在使用硬水的地区。硬水富含矿物质，如钙和镁，这些矿物质在水流速度减慢或温度变化时容易沉积在水管内壁，形成硬垢。随着时间的推移，这些沉积物会逐渐累积，导致管道堵塞，水流量减少，甚至可能导致管道损坏。此外，水垢的形成还会降低热交换系统的效率，增加能源消耗。因此，开发有效的防结垢技术对于维护水管系统的正常运行和节约能源至关重要。

2、近年来，仿生学在材料科学领域的应用越来越受到重视，仿生材料是指模仿自然界中生物体结构或功能的材料。其中，荷叶的超疏水性质吸引了广泛的研究兴趣，荷叶表面具有独特的微纳米结构，这使得水珠无法在其表面铺展开来，而是形成珠状并轻易滚落。这种自清洁特性使得荷叶不易沾染污垢和水分，从而保持干燥和清洁。仿造荷叶的这种结构和性质，可以开发出新型的超疏水表面，用于各种应用，包括防结垢水管材料的设计和制造。然而，如何在水管材料上精确复制这种自然结构，并确保其在各种水质和环境条件下的正常使用，是当前技术面临的主要挑战。

技术实现思路

1、针对上述情况，为克服现有技术的缺陷，本发明提供了一种具有荷叶仿生结构的防结垢水管材料及其制备方法，利用超疏水的生物质碳纳米管和超大孔纳米硅球，在聚乙烯管道内表面形成密集分布的凸起纳米结构，纳米孔中存储的空气形成空气层，由于表面张力，水滴不能渗透到凸起之间的空隙，使得水滴不易在管壁上停留，减少了结垢现象发生，降低了管道维护成本。

2、为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：本发明提出了一种具有荷叶仿生结构的防结垢水管材料，所述防结垢水管材料的合成原料包括以下重量份的组分：聚乙烯树脂80~100份、氟化聚氨酯树脂10~15份、玻璃纤维6~10份、生物质碳纳米管8~10份、超大孔纳米硅球2~4份、乙烯基硅烷偶联剂4~6份、抗氧化剂3~4份、阻燃剂3~4份。

3、进一步地，所述生物质碳纳米管的制备方法，包括以下步骤：

4、①、将生物质废料用水清洗干净，放入烘箱中100℃烘干24 h，再放入粉碎机中粉碎得到直径1±0.2 mm的生物质粉末；

5、②、称取4 g步骤①所制生物质粉末加入100 ml蒸馏水中，转移至反应釜中放置在烘箱中，在nh3气氛中加热至180℃反应12 h，升温速率和降温速率均为5℃/min，得到纳米多孔碳；

6、③、将步骤②所制纳米多孔碳重新分散在100 ml蒸馏水中，150 w超声30 min，加入50 mg fecl3和50 mg nicl2，继续超声60 min，抽滤后将滤饼放入烘箱中80℃烘干24 h，得到黑色粉末；

7、④、将步骤③所制黑色粉末置于管式炉中，在nh3气氛中，以8 ℃/min的速率升温至900~1000℃，并在此温度下加热30~60 min，以5 ℃/min的速率冷却至室温，得到生物质碳纳米管。

8、优选地，所述生物质废料为玉米秸秆、小麦秸秆、椰壳、稻草中的任何一种。

9、进一步地，所述超大孔纳米硅球的制备方法，包括以下步骤：

10、i、将100~200 mg ctab溶于10 ml蒸馏水中，超声溶解，得到溶液a；

11、ii、将 3.0 ml 氨水、5 ml 乙醇、20 ml 乙酸乙酯加入 95 ml 蒸馏水中，超声溶解均匀，得到溶液b；

12、iii、将步骤i所制的溶液a与步骤ii所制的溶液b混合，加入0.5 ml 硅酸四乙酯，500~600 rpm室温搅拌12 h，5000~7000 rpm离心得到沉淀；

13、iv、将步骤iii得到的沉淀重新分散在乙醇中，利用1 mol/l 盐酸溶液调节ph至1.6~2.6，60℃搅拌3~5 h，利用乙醇和水交替洗涤沉淀三次，放置于烘箱中60℃干燥12 h得到超大孔纳米硅球。

14、优选地，所述乙烯基硅烷偶联剂为乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷中的任何一种。

15、优选地，所述抗氧化剂为二苯基酚、三丁基羟基苯甲酮中的任何一种。

16、优选地，所述阻燃剂为三苯基磷酸酯、三甲基磷酸酯中的任何一种。

17、本发明还提出一种具有荷叶仿生结构的防结垢水管材料的制备方法，包括以下步骤：

18、s1、按下列重量份原料混合：聚乙烯树脂20~30份、玻璃纤维1~2份、生物质碳纳米管8~10份、超大孔纳米硅球2~4份、乙烯基硅烷偶联剂4~6份、抗氧化剂1~2份、阻燃剂1~2份，置于高速搅拌机1中，150℃温度下400 rpm搅拌30 min，冷却至室温作为内层原料备用；

19、s2、按下列重量份原料混合：聚乙烯树脂60~70份、氟化聚氨酯树脂10~15份、玻璃纤维5~8份、抗氧化剂2~3份、阻燃剂2~3份，置于高速搅拌机2中，140℃温度下400 rpm搅拌30 min，冷却至室温作为外层原料备用；

20、s3、将步骤s1所制的内层原料和步骤s2所制的外层原料加入平行同向双螺杆挤出机挤出，挤出温度为180~200℃，螺杆转速为70~90 r/min，在模具中成型，冷却至室温得到防结垢水管材料。

21、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

22、本发明提出的具有荷叶仿生结构的防结垢水管材料，其阻垢性能的原理主要基于表面微结构和化学组成的优化，在水管材料内表面形成密集分布的凸起纳米结构，其中生物质碳纳米管和超大孔纳米硅球不仅具有疏水性，且具有纳米级多孔结构，使内表面与水分子的接触面积减少，纳米孔中存储的空气形成空气层，由于表面张力，水滴不能渗透到凸起之间的空隙，使得水滴不易在管壁上停留，同时超疏水表面减少了水流的摩擦，从而提高了流体的输送效率，水垢、矿物质和其他杂质不容易沉积在管道内壁上，提高管道的使用寿命。其次，通过添加玻璃纤维和生物质碳纳米管，大幅提升了水管的机械强度和耐冲击性，使其更适合各种环境条件和压力要求。从环保和可持续发展的角度出发，利用生物质废料制备的碳纳米管，不仅提升了材料性能，也促进了废弃物的再利用，降低了生产成本。本发明的防结垢水管材料在性能、环保和经济性方面均优于传统材料，具有广阔的市场应用前景。

技术特征：

1.一种具有荷叶仿生结构的防结垢水管材料，其特征在于，所述防结垢水管材料的合成原料包括以下重量份的组分：聚乙烯树脂80~100份、氟化聚氨酯树脂10~15份、玻璃纤维6~10份、生物质碳纳米管8~10份、超大孔纳米硅球2~4份、乙烯基硅烷偶联剂4~6份、抗氧化剂3~4份、阻燃剂3~4份。

2.根据权利要求1所述的一种具有荷叶仿生结构的防结垢水管材料，其特征在于，所述生物质碳纳米管的制备方法，包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的一种具有荷叶仿生结构的防结垢水管材料，其特征在于，所述生物质废料为玉米秸秆、小麦秸秆、椰壳、稻草中的任何一种。

4.根据权利要求3所述的一种具有荷叶仿生结构的防结垢水管材料，其特征在于，所述超大孔纳米硅球的制备方法，包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述的一种具有荷叶仿生结构的防结垢水管材料，其特征在于，所述乙烯基硅烷偶联剂为乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷中的任何一种。

6.根据权利要求5所述的一种具有荷叶仿生结构的防结垢水管材料，其特征在于，所述抗氧化剂为二苯基酚、三丁基羟基苯甲酮中的任何一种。

7.根据权利要求6所述的一种具有荷叶仿生结构的防结垢水管材料，其特征在于，所述阻燃剂为三苯基磷酸酯、三甲基磷酸酯中的任何一种。

8.一种如权利要求1-7任一项所述的具有荷叶仿生结构的防结垢水管材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结
本发明属于高分子材料技术领域，具体是提供了一种具有荷叶仿生结构的防结垢水管材料及其制备方法，所述防结垢水管材料的合成原料包括以下重量份的组分：聚乙烯树脂80~100份、氟化聚氨酯树脂10~15份、玻璃纤维6~10份、生物质碳纳米管8~10份、超大孔纳米硅球2~4份、乙烯基硅烷偶联剂4~6份、抗氧化剂3~4份、阻燃剂3~4份。本发明利用超疏水的生物质碳纳米管和超大孔纳米硅球，在聚乙烯管道内表面形成密集分布的凸起纳米结构，形成空气层，水滴不能渗透到凸起之间的空隙，减少管道材料的结垢，降低了维护成本。

技术研发人员：林郑权,尚晓园
受保护的技术使用者：上海天净新材料科技股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/5/9