兼具超疏水功能和光热效应的超黑材料制备方法

本发明涉及功能材料，具体为兼具超疏水功能和光热效应的超黑材料制备方法。

背景技术：

1、基于自然界中一些动植物特殊润湿行为的启发，如抗污自清洁的荷叶表面、可在水面行走的水黾足、能飞檐走壁的壁虎脚等，其所具备超疏水现象不断激发研究人员深入探索。通常将静态水接触角大于或等于150°，滚动角小于或等于10°的特殊润湿性表面称为超疏水表面，具备此类超疏水特性的功能材料受到了国内外研究学者及工程技术领域人员的广泛关注。目前制备超疏水材料主要通过构建具有微纳多级结构的粗糙表面以及使用低表面能物质修饰降低材料的表面能来实现。超疏水材料对水相能够产生极端的抗湿能力，因而在抗污自清洁、防覆冰、除油型油水分离、抗生物黏着、流体减阻等实施过程中有良好的应用效果，故被广泛用在纺织基智能可穿戴材料、光电光热材料、工业防锈、海水淡化、环境治理等诸多领域。

2、自黑体概念及黑体辐射定律提出以来，研究人员一直在寻求理想的超黑材料。一般来讲，在特定波长范围内，能够实现对光的吸收率高于98％，反射率低于2％的材料称为超黑材料。因其能够捕获几乎全部的入射光，在一定程度上抑制杂散光的散射，在空间探测、军用伪装及能源转换领域具有较高的实用价值。yang等人利用化学气相沉积法制备了低密度垂直排列的碳纳米管阵列结构，这种高度有序排列的碳纳米管阵列结构在可见光波段展现出极低的光学反射率(<1％)，是近乎完美的超黑材料。2014年，英国surreynanosystems公司研发的vantablack(梵塔黑)的超黑涂层问世，其在铝箔上培育出像森林般紧密排列的碳纳米管涂层，使入射光线在碳纳米管森林里来回反射进而被吸收，vantablack能吸收约99.965％的光，达到了人眼无法分辨的地步。专利cn 110952075 b公开了一种核壳型粉体超黑材料及其制备方法，以炭黑为基体材料，通过原子层沉积技术在基体表面沉积超薄氧化物薄膜并形成稳定的化学键合，该发明获得的超黑材料具有高保形、均匀的核壳结构，分散性好且光吸收性能优异。

3、然而，这些超黑材料的制备过程中常采用化学气相沉积、原子层沉积、激光刻蚀等技术，需要特定的设备且实验条件苛刻，制备过程繁杂、耗时长，成本昂贵等问题无法实现工业化生产。同时，在超疏水材料的制备中常采用含氟类物质来达到超疏水效果，但氟类物质难以生物降解、存在生殖毒性及累积性，污染环境且危害人体健康。

技术实现思路

1、鉴于现有技术的缺陷，本发明提供了一种兼具超疏水功能和光热效应的超黑材料制备方法，其以多元丙烯酸酯基化合物、长链烷基胺以及支化的聚乙烯亚胺为反应物，醇类试剂为反应溶剂，通过1,4共轭加成反应形成超支化聚合物，且碳基纳米材料在超支化聚合物成形过程中被包覆，形成独特的微纳层级粗糙结构。通过调整聚合活性单元多元丙烯酸酯基化合物、长链烷基胺、共混碳基纳米材料的种类及用量，制得具有不同光吸收率和润湿性效果的超黑材料。以所制备的超黑材料为结构单元构筑兼具超疏水功能和光热效应的超黑涂层，探究其润湿性能、可见光范围内光反射率以及光热性能。

2、为了达到上述目的，本发明提供的技术方案为兼具超疏水功能和光热效应的超黑材料制备方法其具体步骤包括：

3、s100、将多元丙烯酸酯基化合物溶解到无水乙醇中，得到混合溶液；

4、s200、将长链烷基胺、碳基纳米材料、乙二胺封端的聚乙烯亚胺加入到步骤s100的混合液中形成颗粒悬浊体系；

5、s300、使所述颗粒悬浊体系进行搅拌反应，待反应结束后，离心、清洗、干燥，得到兼具超疏水功能和光热效应的超黑材料。

6、较佳地，所述步骤s100中多元丙烯酸酯基化合物选自季戊四醇三丙烯酸酯、季戊四醇四丙烯酸酯、二季戊四醇戊-/己-丙烯酸酯、聚二季戊四醇六丙烯酸酯中的一种。

7、较佳地，所述步骤s100中多元丙烯酸酯基化合物与无水乙醇的质量比为2～5:100～200。

8、较佳地，步骤s200中所述长链烷基胺选自十八胺、十六胺、十四胺、十二胺中的一种或几种。

9、较佳地，步骤s200中所述碳基纳米材料选自多壁碳纳米管、纳米碳球的一种或两种。

10、较佳地，所述多壁碳纳米管与纳米碳球的质量比为1:0～1。

11、较佳地，所述多壁碳纳米管内径为5nm～15nm，外径15nm～40nm；长度10μm～50μm；所述纳米碳球直径40nm～200nm。

12、较佳地，步骤s200中所述乙二胺封端的聚乙烯亚胺与长链烷基胺的质量比为0.5～1.5:6。

13、较佳地，步骤s300中所述搅拌反应的条件为：温度为20～30℃，反应时间为18～30h，转速为400～800r/min。

14、本发明第二方面提供一种利用以上所述方法制备得到兼具超疏水功能和光热效应的超黑材料。

15、本发明第三方面提供了兼具超疏水功能和光热效应的超黑材料在精密光学仪器、光热能量转化以及高效蒸发器件等领域的应用。

16、本发明第四方面提供一种兼具超疏水功能和光热效应的超黑涂层，将本发明制得的兼具超疏水功能和光热效应的超黑材料附着在不同固体基材上。

17、在本发明的一种实施方式中，所述固体基材可以是玻璃、织物、塑料、金属中的一种。

18、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

19、(1)本发明提供兼具超疏水功能和光热效应的超黑材料制备方法，采用“一锅法”的实验方式，避免冗长的分离过程和中间体纯化过程，缩短实验流程，减少时间成本；反应条件温和，在常温常压下即可进行，制备工艺简单，无需使用大型且昂贵的设备，能源消耗低，实验风险可控。

20、(2)本发明通过采用环境友好型方法以黑色相碳基材料为原料在保证较低反射率的前提下，不使用含氟类化学试剂来赋予超黑材料超疏水性，实验原料易于获取，实验成本较低，操作方便，可实现大规模制备，无氟环保，具有广阔的市场前景。

21、(3)本发明制备的兼具超疏水功能和光热效应的超黑材料，水接触角可以达到155°，滚动角达到1°，不仅具有良好的拒水性和抗污自清洁性，还可以在光照条件下快速升温，具有光热效应，在精密光学仪器、光热能量转化以及高效蒸发器件等方面具有潜在应用价值。

技术特征：

1.兼具超疏水功能和光热效应的超黑材料制备方法，其特征在于：具体步骤包括：

2.根据权利要求1所述的兼具超疏水功能和光热效应的超黑材料制备方法，其特征在于：步骤s100中所述多元丙烯酸酯基化合物选自季戊四醇三丙烯酸酯、季戊四醇四丙烯酸酯、二季戊四醇戊-/己-丙烯酸酯、聚二季戊四醇六丙烯酸酯中的一种。

3.根据权利要求1所述的兼具超疏水功能和光热效应的超黑材料制备方法，其特征在于：步骤s100中所述多元丙烯酸酯基化合物与无水乙醇的质量比为2～5:100～200。

4.根据权利要求1所述的兼具超疏水功能和光热效应的超黑材料制备方法，其特征在于：步骤s200中所述长链烷基胺选自十八胺、十六胺、十四胺、十二胺中的一种或几种。

5.根据权利要求1所述的兼具超疏水功能和光热效应的超黑材料制备方法，其特征在于：步骤s200中所述碳基纳米材料选自多壁碳纳米管、纳米碳球的一种或两种；所述多壁碳纳米管内径为5nm～15nm，外径15nm～40nm；长度10μm～50μm；所述纳米碳球直径40nm～200nm。

6.根据权利要求5所述的兼具超疏水功能和光热效应的超黑材料制备方法，其特征在于：所述多壁碳纳米管与纳米碳球的质量比为1:0～1。

7.根据权利要求1所述的兼具超疏水功能和光热效应的超黑材料制备方法，其特征在于：步骤s200中所述乙二胺封端的聚乙烯亚胺与长链烷基胺的质量比为0.5～1.5:6。

8.根据权利要求1所述的兼具超疏水功能和光热效应的超黑材料制备方法，其特征在于：步骤s300中所述搅拌反应的条件为：温度为20～30℃，反应时间为18～30h，转速为400～800r/min。

9.兼具超疏水功能和光热效应的超黑材料，其特征在于：采用如权利要求1-8中任一项所述的兼具超疏水功能和光热效应的超黑材料制备方法制备而成。

10.权利要求9所述的兼具超疏水功能和光热效应的超黑材料在精密光学仪器、光热能量转化以及高效蒸发器件领域的应用。

技术总结
本发明涉及功能材料技术领域，具体为兼具超疏水功能和光热效应的超黑材料制备方法，将多元丙烯酸酯基化合物溶解到无水乙醇中，得到混合溶液；将长链烷基胺、碳基纳米材料、乙二胺封端的聚乙烯亚胺加入到的混合液中形成颗粒悬浊体系；使所述颗粒悬浊体系进行搅拌反应，待反应结束后，离心、清洗、干燥，得到兼具超疏水功能和光热效应的超黑材料。本发明通过采用“一锅法”的实验方式，实现一步短流程制备兼具超疏水功能及光热效应的超黑材料，缩短实验流程，且超黑材料超疏水功能的实现并不依赖于使用含氟类化学试剂，体现出无氟环保的优势。

技术研发人员：陈诚,刘浩钥,林凯歌,高陈陈,吴明明
受保护的技术使用者：新疆大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13