一种太阳光响应型光热超疏水防除冰涂层及其制备方法和在输电导线中的应用

本发明属于光热防除冰材料，具体涉及一种太阳光响应型光热超疏水防覆冰除冰涂层及其制备方法和在输电导线中的应用。

背景技术：

1、覆冰是寒冷和潮湿环境中输电线路、风力发电设备、交通设施、通信塔架和户外电力设备普遍面临的问题。对于架空输电导线，过冷水滴、冻雨、雾凇或湿雪在导线表面持续沉积后，容易形成冰层、冰凌或不均匀覆冰结构，从而增加导线载荷，改变导线气动特性，诱发线路舞动、断线、倒塔、绝缘闪络和输电中断等安全事故。传统除冰方法主要包括机械除冰、电热融冰、化学除冰剂处理和人工巡检清除等。然而，机械除冰存在效率低、连续性差和操作风险高等问题；电热除冰需要额外能源输入，且对电网运行状态、设备耐受性和能量调控要求较高；化学除冰剂可能带来环境污染和金属腐蚀问题。因此，开发低能耗、可持续、与导线表面集成的防覆冰和除冰涂层具有重要工程意义。

2、超疏水表面由于具有高水接触角、低液滴黏附和良好的自清洁性能，被认为是延迟结冰和降低水滞留的重要技术路线。通过构筑微纳粗糙结构和低表面能界面，水滴可处于cassie-baxter润湿状态，从而减少实际固-液接触面积，降低水滴与基底之间的热传导，有利于延缓液滴结冰。然而，传统超疏水涂层在严寒、持续冷凝、霜冻或过冷水冲击条件下仍可能发生润湿状态转变。一旦水滴或冰晶进入表面粗糙结构，超疏水界面可能失效，且已经形成的冰层难以通过被动超疏水性主动去除。

3、光热材料能够吸收太阳光并将其转化为热能，为低能耗主动除冰提供了新的思路。将光热转换材料与超疏水界面相结合，可实现“被动防冰”和“主动除冰”的协同：在结冰前，超疏水表面降低水滞留和传热；在光照条件下，光热材料吸收太阳光并在涂层/冰界面产生局域热量，进一步延迟结冰并促进冰层融化。然而，现有光热超疏水涂层仍存在宽谱吸收不足、光热组分单一、导线曲面适配性差、低温防除冰能力及耐磨耐候性不足等问题。现有技术中，光热材料、低表面能改性和喷涂成膜通常分别用于提高吸光、降低表面能或改善施工适应性，但如何在绞线曲面表面同时实现稳定附着、多级粗糙结构保持、太阳光热转换、低温覆冰抑制和快速除冰，仍有待进一步研究。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于针对现有光热超疏水防覆冰涂层太阳光利用效率不足、涂层稳定性不够、难以适用于输电导线曲面以及除冰过程依赖外部电能或机械力等问题，提供一种用于输电导线的太阳光响应型光热超疏水防覆冰除冰涂层及其制备方法。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案包括：

3、一种太阳光响应型光热超疏水防覆冰除冰涂层，它包括树脂底层和改性fe3o4-cus@c光热超疏水面层，制备所述改性fe3o4-cus@c光热超疏水面层采用的面漆中包含fe3o4-cus@c光热复合颗粒醇分散液、碱液和低表面能硅烷。

4、进一步地，所述fe3o4-cus@c光热复合颗粒中，包含fe3o4-cus复合颗粒及包覆在其表面的c层；所述fe3o4-cus复合颗粒包含紧密耦合的球状fe3o4颗粒和片状cus纳米晶，其中fe3o4的粒径为20~50 nm，cus的片径为50~120nm；c层为无定形碳，厚度为10~20 nm。

5、进一步地，所述fe3o4-cus@c光热复合颗粒先在fe3o4表面原位生成cus，得到紧密耦合的fe3o4-cus，再经水热反应在fe3o4-cus复合材料表面包覆一层水热碳得到。

6、进一步地，所述fe3o4-cus@c光热复合颗粒中，固体组分铜源引入的cu原子、fe3o4引入的fe原子、c原子的摩尔比优选为1~6:1~2:75~90。

7、上述方案中，所述fe3o4-cus@c光热复合颗粒醇分散液中fe3o4-cus@c光热复合颗粒的浓度为 (60~71) mg/ml。

8、进一步地，所述fe3o4-cus@c光热复合颗粒的醇分散液、碱液、低表面能硅烷的体积比为(14.8~18.6) : (0.3~0.7) : (3.8~4.9)。

9、上述方案中，低表面能硅烷可选用硅烷偶联剂、六甲基二硅氮烷（hmds）、聚二甲基硅氧烷（pdms）、辛基三乙氧基硅烷（otes）、氟硅烷、烷基硅烷、有机硅树脂等中的一种以上。

10、优选的，所述低表面能硅烷至少包含聚二甲基硅氧烷。

11、更优选的，所述低表面能硅烷包括六甲基二硅氮烷和聚二甲基硅氧烷。

12、上述方案中，碱液为naoh水溶液或氨水，其中naoh浓度为0.9~1.9mol/l，氨水浓度为24~30wt%。

13、上述方案中，所述树脂底层采用树脂底漆包括树脂和醇溶剂，其中，树脂可选用环氧树脂、聚氨酯树脂、丙烯酸树脂、聚酰胺树脂等中的一种以上。

14、进一步地，所述醇溶剂可选用甲醇、乙醇、异丙醇等中的一种以上。

15、上述一种太阳光响应型光热超疏水防覆冰除冰涂层的制备方法，包括如下步骤：

16、（1）将fe3o4颗粒分散于含硫源和表面调控剂的水相体系中，加入铜源，进行搅拌反应，使cus原位沉积并生长于fe3o4颗粒表面，得到fe3o4-cus复合颗粒分散液；

17、（2）向步骤（1）所得fe3o4-cus复合颗粒分散液中加入碳源和分散剂，进行水热碳化反应，得到fe3o4-cus@c光热复合颗粒；

18、（3）将步骤（2）所得fe3o4-cus@c光热复合颗粒分散于醇溶剂中，得到fe3o4-cus@c光热复合颗粒醇分散液，再加入碱液、低表面能硅烷，在搅拌条件下进行表面改性，得到光热fe3o4-cus@c超疏水分散液（面漆）；

19、（4）在基底表面喷涂树脂底漆并进行固化处理，形成树脂底漆涂层；

20、（5）在步骤（4）所得树脂底涂层表面喷涂步骤（3）所得光热fe3o4-cus@c超疏水分散液，固化，即得所述太阳光响应型光热超疏水防覆冰除冰涂层。

21、上述方案中，铜源为二水合氯化亚铜、硝酸铜等中的一种以上；硫源为九水合硫化钠、硫粉等中的一种以上。

22、上述方案中，所述铜源引入的cu原子与fe3o4颗粒引入的fe原子的摩尔比为1~6:1~2。

23、上述方案中，所述表面调控剂可选用3-巯基丙酸、柠檬酸等中的一种以上。

24、上述方案中，所述表面调控剂与s源的摩尔比为(0.5~1.5) : (1.5~2.5)

25、上述方案中，碳源为葡萄糖、蔗糖等中的一种以上。

26、上述方案中，所述分散剂可选用聚乙二醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚丙烯酸等中的一种以上。

27、上述技术方案中，步骤（2）引入的碳源、分散剂以及fe3o4-cus复合颗粒的质量比为(10~18) : (0.2~1) : (1~1.5)。

28、上述方案中，树脂底漆中树脂优选包含环氧树脂和聚酰胺树脂；其中，环氧树脂、聚酰胺树脂的质量比为（20~35）:（18~27）；环氧树脂与醇溶剂的质量比为20：（110~140）。

29、上述方案中，步骤（1）的搅拌反应时间为2~8 h，反应温度为室温。

30、上述方案中，步骤（2）的水热碳化反应的温度为120~220oc，水热反应时间为4~10h。

31、上述方案中，步骤（3）的表面改性采用的搅拌时间为18~24 h，反应温度为室温。

32、优选的，步骤（3）中，先加入碱液和六甲基二硅氮烷，搅拌反应18~26 h；然后加入聚二甲基硅氧烷，搅拌处理3~6 h。

33、进一步地，步骤（3）中采用的搅拌速率为800~1000rpm。

34、上述方案中，基底可选用玻璃基底或导线表面等。

35、优选的，步骤（4）中，喷涂树脂底漆作为粘结剂，提高涂层的耐磨耐候性，将涂覆了底漆的基体进行固化处理，固化温度为40~80oc，固化时间4~10分钟。然后再喷涂超疏水fe3o4-cus@c光热复合涂料，干燥12~24小时，即得超疏水fe3o4-cus@c光热防冰涂层。

36、本发明还提供了一种上述太阳光响应型光热超疏水防覆冰除冰涂层在输电导线中应用，其中输电导线为绞合导线，直径为4~6cm。绞合导线表面并非理想的光滑圆柱面，而是由多根螺旋状股线构成的复杂曲面。这种特殊结构使得常规涂层在涂覆时容易出现厚度不均、在股线间隙处堆积或覆盖不全等问题，树脂底漆涂覆导线表面并填充股线间隙，保证了面漆的均匀覆盖。

37、根据上述方案所得fe3o4-cus@c光热超疏水涂层，具有宽谱太阳光吸收能力，太阳光吸收率高达95.36%，水接触角高达166.9o。

38、本发明的原理为：

39、本发明首次采用fe3o4、cus和碳层共同构建三元光热结构：cus组分增强可见光和近红外光吸收，fe3o4组分提供额外光吸收和复合结构支撑，碳层增强宽谱太阳光吸收促进局域热生成；所得fe3o4-cus耦合材料兼具fe3o4的光吸收能力、良好稳定性以及cus的可见-近红外吸收能力；此外，引入的cus可促进拓宽fe3o4的紫外-可见光响应范围；所得fe3o4-cus复合颗粒展现出较强的太阳光吸收率，并可同步增强光热吸收性能，促进提高fe3o4的光热转换效率。进一步结合水热包覆碳层（并非单纯光热填料），同时作为结构导向层和表面功能化平台：进一步促进颗粒聚集和多级微纳粗糙结构的形成，又可为低表面能有机硅组分（hmds、pdms等）提供修饰位点，促使颗粒组装层形成稳定的超疏水cassie状态，碳层的存在还可进一步提高超疏水材料的耐酸碱性。

40、树脂底漆作为黏结和缓冲层，提高功能颗粒层与基体表面的结合力，使涂层能够在平面基底和曲面绞线导线表面成膜。

41、在寒冷潮湿环境中，所述涂层的多级微纳粗糙结构和低表面能界面使水滴形成近球形并易于滚落，可有效抑制基体表面的水滞留、连续水膜形成和冰凌生长。在太阳光照射下，fe3o4-cus@c光热复合颗粒快速将太阳光转化为热能，在涂层/水滴或涂层/冰界面产生局域升温，延迟水滴结冰并促进冰层融化和脱落。由此实现被动超疏水防冰与主动太阳光辅助除冰的协同。

42、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

43、1）本发明构建的fe3o4-cus@c三元光热复合颗粒，将fe3o4、cus和碳层的光吸收与光热转换能力相结合，可有效提高太阳光谱利用效率和局域光热转换能力。

44、2）本发明中的碳层具有光热增强和界面构筑（超疏水表面微纳结构构筑）双重功能，可促进多级粗糙结构形成并提供低表面能改性位点，有利于构筑稳定超疏水cassie界面，碳层的存在还可提高超疏水材料的耐酸碱性。

45、3）本发明采用树脂底漆和光热超疏水面漆相结合的双层喷涂结构，可适用于玻璃、金属和输电导线等平面或曲面基底，也可用于架空输电导线表面防覆冰/除冰保护。

46、4）本发明涂层兼具水滴低黏附、抗污自清洁、快速光热升温、延迟结冰、太阳光辅助除冰和一定耐磨耐候性能，可减少对电加热或机械除冰的依赖。