一种柔性复合防冰薄膜的制作方法

1.本实用新型涉及防除冰技术领域，具体涉及一种柔性复合防冰薄膜。


背景技术：

2.传统的主动除冰方式包括化学除冰、机械除冰和热力除冰，综合考虑除冰效率、人工成本、环境污染等因素，热力除冰是目前较为实用的主流方式。热力除冰主要利用电加热装置或高温尾气进行融冰消除，一般需要配备复杂的能源转化系统，在实际使用时，需要消耗较多的能耗、且除冰时间较长。
3.近年来通过对结冰机理的深入研究，功能型防冰涂层作为被动防冰方式逐渐进入人们的视线，其通常用来抑制、延缓界面冰晶的形成，减少界面覆冰的粘附力。该技术由于能耗低、环境友好，可以拟补热力除冰的部分缺陷。例如：
4.(1)低表面能微纳超疏水表面可以在凝结阶段实现水滴脱除。mishchenko等通过对比15μl水滴在亲水铝、疏水氟化硅和超疏水氟化硅表面倾斜撞击过程，证明-25℃以上超疏水界面可以有效抑制冰晶的形成。
5.(2)基于氟离子聚合物的防冰涂层可以延缓冰的成核。aizenberg等制备了超疏水聚吡咯涂层(slips-al)，该涂层通过表面释放的氟润滑油聚合物降低水滴冰点，从而抑制界面相变发生。
6.(3)利用液体润滑剂表面来减少覆冰黏附。中科院化学所王健君等设计了一种微孔交联吸水聚丙烯酸(paa)防冰表面，通过paa吸水形成水润滑层，将表面冰黏附力降低为30kpa。
7.上述这些方法从不同角度促进了界面防冰的发展，但仍存在各种弊端和挑战。对于微纳超疏水界面，高韦伯数下水滴可能会进入表面微结构，挤出截留空气层，导致浸润状态的改变。润滑油和聚合物浸润表面则会随着时间脱离降解，不适合长期使用。因此，如何利用清洁能源实现长效防冰和有效除冰，成为功能型界面设计亟待解决的重要问题。


技术实现要素：

8.本实用新型的一个目的在于提供一种柔性复合防冰薄膜，通过石墨烯纳米墙层和金纳米颗粒层的结合，能够得到更优的光热效果，进而达到更好的防冰和除冰效果。
9.该目的采用以下技术方案实现：包括光热疏水层，所述光热疏水层包括石墨烯纳米墙层和金纳米颗粒层，金纳米颗粒层位于石墨烯纳米墙层的上表面或下表面。
10.或，包括两层金纳米颗粒层，两层金纳米颗粒层分别位于石墨烯纳米墙层的上表面和下表面。
11.在本技术中，石墨烯纳米层和金纳米颗粒层均为现有的材料，石墨烯纳米墙是由垂直于基底生长的微小石墨烯片层组成的网状结构，伸缩会引起非常明显的电阻变化，同时其高度开放的边界结构以及丰富的边缘位点，可以有效防止石墨烯片层间由于π-π键作用引起的团聚，片层的垂直有序排列也可以防止片层堆叠而引起的边缘相互掩盖。金纳米
颗粒阵列具有形状相关的光学特性以及彼此间的等离子共振耦合所带来的集合特性，其高度有序性阵列在高灵敏传感器、太阳能电池、信息存储、光电器件等领域有广泛的应用。
12.在本实用新型中，当太阳光照射光热疏水层时，光热疏水层的光热效应将产生高效的光热转换，水滴通过界面热交换产生物性变化(如粘性、界面张力、密度等)或热物理变化(相变等)，最终实现除冰的目的。由于光热疏水层中的石墨烯纳米墙层具有分层结构，因此光热疏水层在保证高光热转化效率的同时，可利用疏水特性保持表面的自清洁，防止水滴再次冻结。
13.其次，石墨烯纳米墙层和金纳米颗粒层的结合能够进一步的提高光热疏水层的光热性。金纳米颗粒与石墨烯纳米墙的结合，金纳米颗粒之间形成若干不均匀的凹坑，同时金纳米颗粒与石墨烯纳米墙之间也会产生若干不均匀的凹坑，金纳米颗粒与石墨烯纳米墙的结合增大了凹坑的数量、不规则程度，同时增大了凹坑的表面积，因此当光线照射在本结构上时，光线不断的在凹坑之间进行反射，更多的光源会汇聚在本结构上，进而产生更多的光热转化，提高本结构的限光效率，加速冰的融化和水的排除。
14.因此，本结构通过石墨烯纳米墙层和金纳米颗粒层的结合，能够得到光热效果更好的薄膜，在界面防冰领域中，更适合长期使用。
15.在此基础上，本结构的石墨烯纳米墙层和金纳米颗粒层上均设置有若干凸起结构，凸起结构为锥状凸起或柱状凸起或曲面凸起中的一种或多种。在制备工艺的角度上，本技术优选的凸起结构为锥状凸起。通过设置凸起结构，不仅能够进一步的提高本结构的光热效率，同时还可以对本结构进行保护。
16.具体的，相邻的凸起结构之间进一步的形成凹坑，当光线照射在本结构上时，相邻凸起结构之间的凹坑进一步的增加光线在凹坑之间的反射，进而进一步的提高本结构的限光效果。
17.其次，本结构还能解决传统纳米疏水结构及材料在工程应用中易刮擦失效的问题，当本结构受到外力磨损时，首先受到磨损的为凸起部分，凸起部分受到磨损，但不影响凹陷部分的光热效果和疏水效果，更有利于长期使用。
18.在此基础上，本结构的凸起结构的高度为10μm，石墨烯纳米墙层的厚度为100nm-1um，金纳米颗粒粒径为2-10nm，三者分别形成微米尺度、百纳米尺度以及十纳米尺度的限光结构，三者可分别针对太阳光谱的不同波段，从宽谱吸收的角度进一步的提高光热转化效率。
19.更进一步的，防冰薄膜还包括pmma层，所述pmma层位于光热疏水层的下表面，通过pmma层作为本结构的柔性基底，在使用时，通过pmma层可直接将本薄膜粘附在所需位置处，同时当所需位置的表面为异形结构时，pmma层以及光热疏水层的柔性能够有效解决异形结构表面贴附的问题，进而能增加本结构的适用范围，进一步的提高使用效率。
20.本实用新型与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
21.本实用新型一种柔性复合防冰薄膜，通过石墨烯纳米墙层和金纳米颗粒层的结合，能够进一步的提高石墨烯纳米墙本身具有的光热效果，使得到的光热疏水层具有较高的光热转化效率，有效达到防冰除水的效果；
22.本结构的光热疏水层上设置有凸起结构，在防磨损、保护本结构的基础上，还能够进一步的提高本结构的限光效果，提高光热效率；
23.并且，本结构具有柔性，能够适用于不同的异形结构，适用范围更广，更便于长期使用。
附图说明
24.此处所说明的附图用来提供对本实用新型实施例的进一步理解，构成本技术的一部分，并不构成对本实用新型实施例的限定。在附图中：
25.图1为实施例1中本结构示意图；
26.图2为实施例2中本结构示意图；
27.图3为实施例3中本结构示意图；
28.图4为实施例4中凸起结构柱状凸起时本结构示意图；
29.图5为实施例4中凸起结构曲面凸起时本结构示意图。
30.附图中标记及对应的零部件名称：
31.1-目标基底，2-pmma层，3-石墨烯纳米墙层，4-金纳米颗粒层。
具体实施方式
32.为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本实用新型作进一步的详细说明，本实用新型的示意性实施方式及其说明仅用于解释本实用新型，并不作为对本实用新型的限定。
33.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、“低”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型保护范围的限制。
34.【实施例1】
35.如图1所示，本结构包括光热疏水层和pmma层2，所述pmma层2位于光热疏水层的下表面，所述光热疏水层包括石墨烯纳米墙层3和金纳米颗粒层4，金纳米颗粒层4位于石墨烯纳米墙层3的上表面。在本实施例中，石墨烯纳米墙层3和金纳米颗粒层4上均设置有若干凸起结构，凸起结构为锥状凸起。
36.在制备本结构时，首先在基底表面上制备所需要的二维或三维结构；
37.在二维或三维结构表面制备光热疏水层；
38.将pmma溶液旋涂至光热疏水层表面，加热10min待完全冷却后得到复合防冰薄膜；
39.将复合防冰薄膜从硅基底表面上撕下，转移至目标基底1；
40.具体的制备方法为现有的步骤，只要能得到所需的石墨烯纳米墙层3和金纳米颗粒层即可，本技术对其具体的制备方法不做限定。
41.本实施例中，石墨烯纳米墙层3的厚度为500nm，金纳米颗粒层4的金纳米颗粒粒径为8nm，凸起结构的高度为10μm。
42.【实施例2】
43.如图2所示，本结构包括光热疏水层和pmma层2，所述pmma层2位于光热疏水层的下表面，所述光热疏水层包括石墨烯纳米墙层3和金纳米颗粒层4，金纳米颗粒层4位于石墨烯
纳米墙层3的下表面。在本实施例中，石墨烯纳米墙层3和金纳米颗粒层4上均设置有若干凸起结构，凸起结构为锥状凸起。
44.【实施例3】
45.如图3所示，本结构包括光热疏水层和pmma层2，所述pmma层2位于光热疏水层的下表面，所述光热疏水层包括石墨烯纳米墙层3和金纳米颗粒层4，金纳米颗粒层4位于石墨烯纳米墙层3的下表面和上表面。在本实施例中，石墨烯纳米墙层3和金纳米颗粒层4上均设置有若干凸起结构，凸起结构为锥状凸起。
46.【实施例4】
47.在上述实施例的基础上，一个或多个实施例中，凸起结构还可以为柱状凸起或曲面凸起；当为柱状凸起时，其结构如图4所示，当为曲面凸起时，其结构如图5所示。在本实施例中优选的凸起结构为锥形凸起。
48.在本文中使用的术语“连接”在不进行特别说明的情况下，可以是直接相连，也可以使经由其他部件间接相连。
49.以上所述的具体实施方式，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。