一种HCMT@PPY光热超疏水复合材料的制备方法

本发明属于表面功能复合材料，具体涉及一种hcmt@ppy光热超疏水复合材料的制备方法。

背景技术：

1、结冰是低温环境中十分常见的自然现象，它是由液态水在固体表面上发生过冷到形成冰晶并生长的固-液相变过程。在不同气象条件下结冰可形成雪、雾凇等各种各样的形式，为大自然创造了绚烂而美丽的奇观。然而，冰的大量积聚会给日常生活创造许多困难，甚至威胁着人们的生命安全。例如，在电网系统中，冰的大量积聚极大地增加了输电导线与杆塔的重量，进而造成导线断裂，远距离输电线结冰坍塌导致电力通讯中断，给电网带来重大经济损失。在发电系统中，叶片气动性能受结冰影响，一方面会导致叶片过载、叶片荷载分布不均，进而造成持续产出的风能受到较大的影响；另一方面，当叶片在旋转过程中，极易出现冰块脱落引起的运营事故；在西北地区光伏板表面结冰会严重影响太阳能的吸收与转化，对其长期服役造成巨大影响。另外，在航空运输中，发动机进气系统结冰会引起发动机进气流场畸变，进气通道阻塞，发动机性能恶化；机翼或者发动机进气系统结冰的冰块脱落如果被发动机吸入后会损伤发动机内部的叶片，造成机械损伤；飞机传感器一旦结冰，会使得飞行人员无法获得准确的飞行参数，引起飞机自动操控系统误操作，飞机在飞行中结冰会严重危害飞机的安全飞行。

2、近年来，研究人员受“荷叶效应”的启发，超疏水材料的疏水原理被研究者们不断完善。人们最早对超疏水现象的认识是从荷叶开始的，荷叶具有的超疏水性表现在雨后的荷叶表面显得非常的清新和洁净。yuan等人使用表面具有凹陷阵列结构的模板，将kevlar水凝胶溶液首先经过模板法定型，再通过相转化法固化其表面微观形貌，接着再加入到mpd与cuso4的氧化溶液中进行溶液氧化，如此改性制备得到水凝胶光热材料(cn116120746a)。然而，这些光热复合材料的制备过程较为复杂，严重限制了其大规模制备和应用。zhang等人通过将织物在naoh溶液中进行预处理，将经过预处理的织物浸泡在含镍的活化液中，在表面制得金属镍的活化层，然后将织物浸泡在含镍的碱性镀液中进行表面镀镍，最后在表面均匀喷涂一层pmhs和墨水的混合溶液，制得用于防结冰和光热除冰的超疏水织物(cn115161992a)。maghsoudi,k.等人研究了不同条件下各种超疏水表面的抗冰性能。通过离心粘附力和推离试验，提供了所生产表面的冰粘附强度的定量比较。结果表明，在结冰/除冰循环过程中，材料的性质恶化，表面粗糙的微纳米结构逐渐受损，导致防冰等保护性能逐渐丧失(journal of materials processing technology,2021,288)。目前对超疏水性表面的理论研究已经取得了大量的成果，但制备方法并不多，且多数制备方法存在实验条件苛刻、步骤繁琐、成本高等问题，现已投入市场的超疏水性材料也存在如表面微细结构强度低、易老化、易磨损、使用寿命短等缺点。且市面上具有光热超疏水性能材料极少，同时存在光热性能差、易污染、能源消耗大等问题。

3、为解决上述问题，开发出了hcmt@ppy光热超疏水复合材料。生物质材料是一种绿色无毒、成本低廉的材料，将其碳化后能够获得光热性能优异的碳材料，可以用于高效太阳能吸收。该材料将超疏水材料赋予太阳能光热转换协同能力制备出超疏水光热材料，成为一种新兴的防冰除冰技术。超疏水表面可以利用自身超疏水特性，降低水在表面的黏附作用，延长结冰时间，起到被动防冰功能；与此同时，光热转换功能能够通过吸收太阳能，将光能转换为热能，起到主动除冰的功能。

4、为克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种hcmt@ppy光热超疏水复合材料的制备方法，以简单易得的脱脂棉为原料，制备了一种hcmt@ppy光热超疏水复合材料、并将其应用到超疏水光热复合材料领域，以解决现有材料含有毒物质、污染大、功能特性单一、现有除冰技术耗能高等缺点。

5、为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。

6、一种生物质基的hcmt@ppy光热超疏水复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

7、步骤1，将脱脂棉置于瓷舟中，放置在高温高压的管式炉中进行碳化，管式炉的温度为400-800℃，碳化的时间为2h，然后放入氮气气氛炉自然降温到室温；

8、步骤2，将碳化的hcmt、去离子水加入到烧杯中，超声形成均匀的hcmt，超声时间为30min；

9、步骤3，在机械搅拌作用下将py(吡咯)加入上述hcmt分散液中，并加入一定量的过硫酸铵、三氯化铁等氧化剂，反应1-10h后离心，得到hcmt@ppy。

10、步骤4，将上述hcmt@ppy粉体超声分散到乙酸乙酯和乙醇(体积比1:1)，加入有机氯硅烷修饰，反应结束后喷涂或浸涂在基材上，固化后获得hcmt@ppy光热超疏水复合材料，固化温度为60-120℃，固化时间为1-5h。

11、所述的步骤1中的脱脂棉、棉纤维等，是经过一步碳化法将脱脂棉碳化，得到黑色生物质非结晶碳。

12、所述的步骤2中hcmt浓度为2-10mg/ml。

13、所述的步骤3中py的浓度为10-50mg/ml,氧化剂为过硫酸铵和三氯化铁中的一种，其与py质量比为8:1。

14、所述的步骤4中hcmt@ppy浓度为8mg/ml，有机氯硅烷为二甲基二氯硅烷、甲基三氯硅烷、丙基三氯硅烷等，浓度为10-50mg/ml，反应时间为1-5h。

15、所述的步骤4中基材为玻璃、木头、织物、金属、海绵以及塑料等。

16、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

17、本发明公开了一种hcmt@ppy光热超疏水复合材料的制备方法，该制备方法先将脱脂棉置于瓷舟中，放置在高温高压的管式炉中进行碳化，然后放入氮气气氛炉自然降温到室温，然后将碳化的hcmt、离子水加入到烧杯中，超声形成均匀的hcmt，并将其在机械搅拌作用下加入到py(吡咯)中反应，然后氧化剂氧化后离心。离心后分散到乙酸乙酯和乙醇混合溶液中，加入有机氯硅烷改性。最后，将其喷涂或浸涂在基材上，固化后获得hcmt@ppy光热超疏水复合材料。涂层粗糙的表面结构与丰富的低表面能物质协同作用，为涂层的超疏水性提供了依据。超疏水表面突出的自清洁性能，有望去除表面的污渍，延长光热涂层的使用寿命。相比传统的涂层材料，本涂层对光谱的吸收范围宽，在可见光波长范围内具有96％以上，hcmt@ppy涂层能够在1kw/m2照射下迅速升温，且平衡温度达96.6℃，涂层具有相互连通的多孔微纳结构，附着力高。此外，在防冰除冰测试中，在覆有hcmt@ppy涂层的玻璃片上，水滴的冻结时间延长了4倍，冰层在500s内完全融化，表现出优异的超疏水自清洁性能，从而实现超疏水防冰和光热融冰协同降低冰的危害。本光热超疏水涂层能够同时实现主动除冰与被动防冰功能，并且有着优异的超疏水、光热、耐久、稳定和自修复性能，能够有效完成长期的表面防护工作。喷涂施工的效率高且均匀性好，应用领域广泛，包括交通运输、风电叶片、飞机机翼等。

技术实现思路