[发明专利]一种具有荷叶效应的防冰超疏水涂层的制备方法

说明书

本发明涉及一种具有荷叶效应的防冰超疏水涂层的制备方法，采用化学试剂作为刻蚀剂，实现金属基底材料表面的预粗化过程，然后用疏水改性后的SiO₂纳米颗粒进行改性，即可得到具有荷叶效应的接触角大于150°的微‑纳米尺度梯级结构的超疏水涂层。本发明制备方法简单，成本低，有望大规模使用且具有优异的防冰性能，在‑15℃时，液滴在涂层表面的延迟结冰时间可达4900s以上。此外，由于本发明制备出的涂层具有超疏水性，防冰性能和防结霜性能；而且还具有一定的耐腐蚀性，可应用于低温潮湿的环境中，具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及涂层材料技术领域，尤其涉及一种具有荷叶效应的防冰超疏水涂层的制备方法。

背景技术

受荷叶、玫瑰花瓣和蝴蝶翅膀等自然界超浸润表面启发制备出的超疏水表面由于其在自清洁、防冰和油-水分离等领域的应用潜力而备受关注。荷叶表面具有优异的自清洁性主要取决于其表面具有独特的微-纳米尺度梯级结构。大量的研究结果表明：微-纳米尺度梯级结构不仅使得表面具有优异的化学稳定性还使得液滴与固体表面的接触呈Cassie-Baxter浸润状态。

飞机机翼、通信设备和道路等表面结冰与积冰不仅存在一定的安全隐患还会造成一定的经济损失。由于涂层的超疏水性，使得液滴与固体表面的实际接触面积减少，液滴与固体表面接触的气体分率显著增加，延缓了液滴与冷固体表面之间的传热，从而大大延缓了液滴冷凝成核，所以具有荷叶效应的超疏水涂层在防冰领域的应用具有一定的广阔前景。

目前，超疏水表面的制备主要包括构建合适的粗糙结构和低表面能材料改性两部分内容。由于SiO₂纳米颗粒易于疏水改性且可调控表面形貌，制备出的超疏水表面具有一定的化学稳定性而引起研究人员的注意。但采用含氟的低表面能材料化学修饰SiO₂纳米颗粒，具有一定的毒性会造成一定的环境污染，在实际应用中不宜大规模使用，故开发对环境友好的超疏水涂层至关重要。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种具有荷叶效应的防冰超疏水涂层的制备方法，选用简单的化学刻蚀法构建微米尺度结构和采用对环境友好的改性方法化学修饰SiO₂纳米颗粒，利用微-纳米尺度梯级结构和低表面能材料的协同作用，获得具有超疏水性的防冰涂层。

本发明采用的技术方案如下：

本发明所提出的一种具有荷叶效应的防冰超疏水涂层的制备方法，具体包括以下步骤：

S1、选取金属基底材料，并对金属基底材料进行预处理；

S2、微米尺度结构表面的制备；利用化学试剂作为刻蚀剂，在金属基底材料表面构建微米尺度结构；

S3、化学修饰SiO₂纳米颗粒，得到疏水性的SiO₂纳米颗粒悬浮液；

S4、构建微-纳米尺度结构表面；将具有微米尺度结构表面的金属基底材料浸入疏水性的SiO₂纳米颗粒悬浮液中，使得改性后的SiO₂纳米颗粒涂覆于微米尺度结构表面。

进一步的，所述步骤S3中，化学修饰SiO₂纳米颗粒采用的是有机硅烷类化合物，具体为三甲基乙氧基硅烷或聚二甲基硅氧烷或四甲氧基硅烷。

进一步的，所述步骤S4中，化学修饰后的SiO₂纳米颗粒采用浸涂法或喷涂法和旋涂法涂覆于微米尺度结构表面。

进一步的，所述步骤S1中，金属基底材料为1060铝合金或黄铜或不锈钢或6061铝合金或纯铜。

进一步的，所述步骤S1中，预处理包括：依次用600#、1000#和1500#砂纸打磨金属基底材料表面，除去表面氧化层和杂质，将洁净后的金属基底材料干燥备用。