一种抗结露结霜自清洁涂层及其制备方法与流程

本发明属于自清洁材料技术领域，具体涉及一种抗结露结霜自清洁涂层及其制备方法，通过低表面能溶液及表面纳米颗粒修饰刻蚀过的基材制备得到兼具抗结露和抗结霜特性的自清洁材料。

背景技术：

冷凝是一个常见的不可避免的自然现象，但冷凝所造成的结露结霜问题有时也会给人们的生活及工业生产带来很大的困扰。近年来，冷却顶板被广泛应用于空调系统中。然而，冷却顶板冷表面上的水蒸汽会冷凝形成液滴，液滴不断长大，最后通过自身重力的作用从表面脱落下来。冷凝水滴落雨到室内会腐蚀家具，影响人们正常的工作、生活。在航空领域，飞机飞行过程中冰在机翼上累积会改变机翼最有效的形状，改变机翼受到的气动力的大小，导致测量和控制设备的故障，这带来了很大的安全隐患，对人民的生命安全产生了威胁。

目前，针对此类问题，市场上有两种应对措施。一种为对结露结霜表面定期进行清理从而达到清洁的作用。但此种方式存在明显的弊端。其需要大量的人力财力，同时在高湿低温气候下需要频繁操作。另一种应对措施为在器件表面涂抹一层涂层以达到自清洁的效果。市场上有采用超疏水涂层喷涂在玻璃表面，在表面形成一层超疏水膜从而使液滴不会在表面附着达到抗结露结霜的效果。

上述方法均具有一定的局限性。首先，人工清理的方式需要大量的人力财力，在部分地区极为不便。若使用涂层，目前现有的超疏水涂层的制备方法较为复杂，其工业化、市场化大规模使用还存在问题，并且现有的涂层其机械稳定性以及在高湿低温环境下的应用均存在一些缺陷。

技术实现要素：

本发明的目的是通过制备一种疏水性抗结露结霜自清洁材料，材料自身的制备工艺较为简单，同时具有较强的机械耐久性，且可以在高湿低温环境下应用，用以解决当前在生活及工业生产中均存在的较为严重的结露结霜问题，从而在空调系统、建筑玻璃幕墙以及飞行器机翼等领域得到较为广泛的应用。

本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。

一种疏水性抗结露结霜自清洁涂层的制备方法，包括以下步骤：

（1）将硅源加入到乙醇中，搅拌溶解；加入六甲基二硅胺烷，再加入去离子水，持续搅拌，再将所得混合溶液在室温下老化，即得到硅溶胶；

（2）将纳米二氧化硅加到步骤（1）的老化后的硅溶胶中，搅拌，超声震荡，然后将得到的溶液加入到乙醇中，超声震荡得到涂层原料液；

（3）对基材刻蚀使其具有微观粗糙结构，将刻蚀后的基材洗净烘干；

（4）将步骤（3）中烘干的基材浸入到步骤（2）中的涂层原料液中静置，取出后晾干，然后得到所述的疏水性抗结露结霜自清洁涂层。

进一步的，所述步骤（1）中，硅源、乙醇、六甲基二硅胺烷以及去离子水之间的体积比为1.05:15~20:1:1.5。

进一步的，在步骤（1）中，硅源为正硅酸乙酯或硅酸钠，加入去离子水后持续搅拌2h以上；硅溶胶在室温下老化2天以上。

进一步的，在步骤（3）中，基材为铜片或亚克力板，烘干条件为80-100℃烘干。

进一步的，在步骤（3）中，所述刻蚀，对于铜片是采用化学刻蚀，对于亚克力板是采用激光刻蚀。

进一步的，在步骤（3）中，激光刻蚀的尺度为100微米级。

进一步的，步骤（3）中，化学刻蚀所用的物质为氢氧化钠（2.5m）和硫酸铵（0.13m）。为使铜样品充分刻蚀需要在刻蚀溶液中浸泡15min以上，并不超过120min。铜样品在刻蚀溶液中的浸泡时间越长所制备的超疏水材料的疏水效果越好。

进一步的，在步骤（2）中硅溶胶的体积与二氧化硅的质量比值为50:1~1.5ml/g，乙醇的体积与纳米二氧化硅的质量比值为50:1~1.5ml/g。

进一步的，在步骤（2）中搅拌在一个小时以上，每次超声震荡都在30分钟以上。

进一步的，在步骤（4）中，在硅溶胶中静置24小时以上，并且静置时间越长，所得到的的疏水性抗结露结霜自清洁涂层效果越好。

进一步的，在步骤（4）中，晾干是在20~30°c下晾干24h以上。

本发明的目的还在于上述制备方法制得的疏水性抗结露结霜自清洁涂层。

在冷凝液滴在表面产生时发生自发弹跳过程，从而减少了表面的液滴附着同时减少了冰成核的数量，具有很好的抗结露结霜效果。材料涂层为硅溶胶，基材为刻蚀过的带有纳米结构的铜板或亚克力板，硅溶胶可以增加表面的接触角，降低表面能提供疏水性，铜板经过刻蚀或亚克力板经过激光雕刻可以得到微观粗糙结构，同时这种涂层具有很强的耐久性，且可以在高湿低温环境下使用，具备较高的实际应用价值。通过格子玻尔兹曼方法对液滴碰撞激光雕刻表面与未经激光雕刻表面的模拟对比，发现刻蚀表面可以更加有效的减少液滴在表面的接触时间，并且使用激光雕刻也可以更好的控制表面微观规则结构的形成。

本发明具有如下优点及有益效果：

（1）本发明采用有机硅化合物制备硅溶胶对表面进行优化改性，使制备所得的涂层可以在高湿低温环境下依然具备较好的自清洁效果。

（2）本发明采用有机硅化合物制备的涂层原料液中含有纳米颗粒物，使表面的粗糙结构可以得到进一步的加强。

（3）本发明的制备工艺简单，反应有机物易获取，制作成本低，使用寿命长，反应条件易于实现，在反应过程中无污染物生成，转化效率高，反应装置不复杂，可用于一系列疏水性抗结露结霜自清洁涂层的制备。可以应用于空调系统、建筑玻璃幕墙以及飞行器机翼的抗结霜结露，在建筑、能源和航空领域具有广阔的应用前景。

附图说明

图1a和图1b是本发明实施例1中铜表面刻蚀后微观形貌的不同放大倍数的电镜图；

图2a和图2b是本发明实施例2中铜表面刻蚀后微观形貌的不同放大倍数的电镜图；

图3a和图3b是本发明实施例3中铜表面刻蚀后微观形貌的不同放大倍数的电镜图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

一种疏水性抗结露结霜自清洁涂层的制备方法，其具体步骤为：

配置硅溶胶：将2.1ml正硅酸乙酯逐滴加入到30ml乙醇中，强烈搅拌。10分钟后逐滴加入2ml的六甲基二硅胺烷，30分钟后逐滴加入3ml去离子水。然后，整个反应再持续强烈搅拌2小时。再将所得混合溶液在室温下老化10天，即可得到硅溶胶。

将0.2g纳米二氧化硅加到10ml老化后的硅溶胶中，搅拌1h，超声震荡30min，然后将得到的溶液加入到10ml乙醇中，超声震荡30min得到涂层原料液。

铜表面纳米结构的制备：将铜片浸泡到氢氧化钠（2.5m）和硫酸铵（0.13m）的混合溶液中放置15分钟，取出用蒸馏水清洗干净，在100°c下烘干。得到的图表面微观结构电镜图如图1a和图1b所示此时铜表面主要生成纳米棒结构。

将烘干的样品片浸入到步骤（3）中所制备的涂层原料液中24小时，取出后在室温下晾干待用。

本实施例所制备出的疏水性抗结露结霜自清洁涂层表面水的静态接触角度数在150^o以上，具备良好的超疏水效果。同时在冷凝温度为0°c的低温抗结露实验中，3h之后普通光滑铜表面（指未经刻蚀和涂层修饰的）的冷凝水珠尺寸超过3mm，而本例中所制得样品表面的冷凝水珠在2mm左右。该涂层克服了以往多数抗结露结霜涂层都具有的缺点，可在高湿低温环境下使用，其表面聚集的液滴会发生自发的弹跳现象，在减少结露的同时也减少了冰成核的数量，大幅减少了在表面所覆盖的露层和霜层，因而具有较好的抗结露结霜特性。

实施例2

一种疏水性抗结露结霜自清洁涂层的制备方法，其具体步骤为：

配置硅溶胶：将2.1ml正硅酸乙酯逐滴加入到35ml乙醇中，强烈搅拌。10分钟后逐滴加入2ml的六甲基二硅胺烷，30分钟后逐滴加入3ml去离子水。然后，整个反应再持续强烈搅拌2小时。再将所得混合溶液在室温下老化10天，即可得到硅溶胶。

将0.25g纳米二氧化硅加到10ml老化后的硅溶胶中，搅拌1h，超声震荡30min，然后将得到的溶液加入到10ml乙醇中，超声震荡30min得到涂层原料液。

铜表面纳米结构的制备：将铜片浸泡到氢氧化钠（2.5m）和硫酸铵（0.13m）的混合溶液中放置60分钟，取出用蒸馏水清洗干净，在100°c下烘干。得到的图表面微观结构电镜图如图2a和图2b中所示此时铜表面主要生成纳米棒状结构。

将烘干的样品片浸入到步骤（3）中所制备的涂层原料液中24小时，取出后在室温下晾干待用。

本实施例所制备出的疏水性抗结露结霜自清洁涂层表面水的静态接触角度数在150^o以上，且滚动角小于5^o，具备良好的超疏水效果。同时经实验证明，该涂层克服了以往多数抗结露结霜涂层都具有的缺点，可在高湿低温环境下使用，其表面聚集的液滴会发生自发的弹跳现象，在减少结露的同时也减少了冰成核的数量，大幅减少了在表面所覆盖的露层和霜层，因而具有较好的抗结露结霜特性。

实施例3

一种疏水性抗结露结霜自清洁涂层及其制备方法，其具体步骤为：

配置硅溶胶：将2.1ml正硅酸乙酯逐滴加入到40ml乙醇中，强烈搅拌。10分钟后逐滴加入2ml的六甲基二硅胺烷，30分钟后逐滴加入3ml去离子水。然后，整个反应再持续强烈搅拌2小时。再将所得混合溶液在室温下老化10天，即可得到硅溶胶。

将0.3g纳米二氧化硅加到10ml老化后的硅溶胶中，搅拌1h，超声震荡30min，然后将得到的溶液加入到10ml乙醇中，超声震荡30min得到涂层原料液。

铜表面纳米结构的制备：将铜片浸泡到氢氧化钠（2.5m）和硫酸铵（0.13m）的混合溶液中放置120min，取出用蒸馏水清洗干净，在100°c下烘干。得到的图表面微观结构电镜图如图3a和图3b所示此时铜片上的纳米片状结构边缘出现破碎的现象并且纳米片状生长得更加密集。

将烘干的样品片浸入到步骤（3）中所制备的涂层原料液中24小时，取出后在室温下晾干待用。

本实施例所制备出的疏水性抗结露结霜自清洁涂层表面水的静态接触角度数可以达到160^o，且滚动角小于5^o，具备良好的超疏水效果。同时在冷凝温度为-15°c的低温抗结霜实验中，在40min左右未处理的铜表面（指未经刻蚀和涂层修饰的）就已经完全被霜层覆盖了，而对于本例中样品在130min后霜层还只在铜片的边缘出现。该涂层克服了以往多数抗结露结霜涂层都具有的缺点，可在高湿低温环境下使用，其表面聚集的液滴会发生自发的弹跳现象，在减少结露的同时也减少了冰成核的数量，大幅减少了在表面所覆盖的露层和霜层，因而具有较好的抗结露结霜特性。

实施例4

配置硅溶胶：将2.1ml正硅酸乙酯逐滴加入到30ml乙醇中，强烈搅拌。10分钟后逐滴加入2ml的六甲基二硅胺烷，30分钟后逐滴加入3ml去离子水。然后，整个反应再持续强烈搅拌2小时。再将所得混合溶液在室温下老化10天，即可得到硅溶胶。

激光刻蚀表面的制备：使用cad软件画出边长为700微米的正方形遍布整个雕刻图纸，两个正方形之间的距离为350微米，导入到激光雕刻切割机中对亚克力板进行雕刻。然后将雕刻好的样品浸泡在乙醇中，超声清洗30分钟以上，然后在100°c下烘干。

将0.2g纳米二氧化硅加到10ml老化后的硅溶胶中，搅拌1h，超声震荡30min，然后将得到的溶液加入到10ml乙醇中，超声震荡30min得到涂层原料液。

将烘干的样品片浸入到步骤（3）中所制备的涂层原料液中24小时，取出后在室温下晾干待用。

对此表面进行格子玻尔兹曼方法模拟研究发现，液滴碰撞激光雕刻过的超疏水表面与液滴碰撞未经激光雕刻的超疏水表面相比（未经激光雕刻的超疏水表面相对于激光雕刻过的超疏水表面，区别仅在于前者没有使用激光雕刻，使表面产生微观粗糙结构），接触时间减少了10%，刻蚀表面可以更加有效的减少液滴在表面的接触时间，并且使用激光雕刻也可以更好的控制表面微观规则结构的形成。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限定。凡本领域的技术人员利用本发明的技术方案对上述实施例作出的任何等同的变动、修饰或演变等，均仍属于本发明技术方案的范围内。