本發明涉及一種兼具光熱及冰成核能力的防冰涂薄膜及其制備方法，屬防冰材料。

背景技術：

1、在低溫高濕的環境條件下，固體表面非常容易結冰，影響輸電線、飛行器、風電機組和交通工具等的正常使用，并常常需要較高的代價對其進行運維。因此，固體表面的防/除冰逐漸成為相關領域的研究熱點。

2、為了解決固體表面的結冰問題，目前常采用噴涂化學試劑、加熱融化、和機械破碎等主動除冰方法，以及在固體表面涂覆超疏水、低冰粘附及光熱涂層等被動防冰方法。這些除冰方法的作用效果和效率直接取決于固體表面冰層狀態。若冰層連續，除冰難度較大，且除冰效果較差；若冰層呈離散狀，其除冰難度將大幅度降低。

3、因此，亟需一種具備冰成核功能的除冰薄膜，可改變冰層連續狀態，降低除冰難度，同時結合除冰薄膜的光熱性能，達到高效除冰的目的。

技術實現思路

1、本發明的目的在于提供一種兼具光熱和冰成核能力的防冰薄膜及其制備方法。

2、本發明通過以下技術方案實現：

3、根據本發明，一種兼具光熱和冰成核能力的防冰薄膜為多相多組分雜化材料，具有微觀“海-島結構”。

4、根據本發明，所述防冰薄膜包含連續相基體、聚電解質復合物分散相、光熱納米粒子和冰成核納米片四部分。

5、根據本發明，所述基體為聚乙烯薄膜材料，薄膜厚度50μm～1000μm，例如為50μm、100μm、200μm、500μm和1000μm。

6、根據本發明，所述聚電解質復合物為聚丙烯酸-聚乙烯亞胺復合物。

7、根據本發明，所述聚乙烯基體與聚丙烯酸-聚乙烯亞胺復合物的質量比例為1：1～20：1，例如為1：1、2：1、3：1、4：1、5：1、10：1和20：1。

8、根據本發明，所述聚丙烯酸聚合度為20～10000，例如為20、50、100、200、500、1000、2000、5000和10000。

9、根據本發明，所述聚乙烯亞胺聚合度為3～300，例如為3、5、10、20、50、100、200和300。

10、根據本發明，所述光熱納米粒子為氨基硅烷改性的四氧化三鐵納米粒子。

11、根據本發明，所述聚乙烯基體與氨基硅烷改性四氧化三鐵納米粒子的質量比例為10∶1～100：1，例如為10：1、20：1、30：1、40：1、50：1和100：1。

12、根據本發明，所述氨基硅烷改性四氧化三鐵納米粒子分散于聚乙烯連續相中及聚乙烯-聚電解質復合物相界面上。

13、根據本發明，所述氨基硅烷為本領域所公知的氨基硅烷偶聯劑，包括但不限于γ-氨基丙基三乙氧基硅烷、γ-氨基丙基三甲氧基硅烷、γ-氨丙基甲基三乙氧基硅烷、γ-氨丙基甲基三甲氧基硅烷。

14、根據本發明，所述冰成核納米片為氧化石墨烯納米片層；

15、根據本發明，所述氧化石墨烯納米片層覆蓋于聚丙烯酸-聚乙烯亞胺復合物分散相表面。

16、根據本發明，所述氧化石墨烯納米片層碳氧原子個數比為2：1～3：1，例如為2.1：1、2.2：1、2.3：1、2.4：1、2.5：1、2.6：1、2.7：1、2.8：1、2.9：1、3.0：1。

17、本發明還提供上述防冰薄膜的制備方法，所述方法包括以下步驟：

18、(1)將四氧化三鐵納米粒子超聲分散于有機溶劑中，加入氨基硅烷偶聯劑后，沸騰回流反應一段時間，過濾后用乙醇反復洗滌濾餅，真空干燥后得到氨基硅烷改性的四氧化三鐵納米粒子；

19、(2)將四氧化三鐵納米粒子與聚苯乙烯在密煉機中進行高溫熔融共混，得到聚苯乙腳四氧化三鐵納米復合材料，然后再與聚乙烯高溫熔融共混，得到聚乙烯/聚苯乙烯/四氧化三鐵納米復合材料；

20、(3)將聚乙烯/聚苯乙烯/四氧化三鐵納米復合材料在熱壓成型機中高溫熱壓得到聚乙烯/聚苯乙烯/四氧化三鐵薄膜；

21、(4)將聚乙烯/聚苯乙烯/四氧化三鐵薄膜浸泡于有機溶劑中，將聚苯乙烯相溶解刻蝕，反復洗滌后經過干燥得到聚乙烯/四氧化三鐵薄膜；

22、(5)將聚乙烯/四氧化三鐵薄膜反復交替浸泡于聚丙烯酸水溶液和聚乙烯亞胺水溶液中，待刻蝕聚苯乙烯相形成的凹坑被填平后，將其浸泡于氧化石墨烯/水分散液中，取出用水反復沖洗干凈后烘干得到最終的防冰薄膜。

23、根據本發明，步驟(1)所述有機溶劑為本領域所公知的溶劑，包括但不限于甲苯、二甲苯、二氯甲烷、氯仿、n，n-二甲基甲酰胺、乙醇、四氫呋喃等。

24、根據本發明，步驟(1)中四氧化三鐵濃度為1mg/ml～200.0mg/ml，例如為1.0mg/ml、2.0mg/ml、3.0mg/ml、5.0mg/ml、10.0mg/ml、20mg/ml、50mg/ml、100mg/ml和200mg/ml；

25、根據本發明，步驟(1)中所述氨基硅烷偶聯劑為本領域所公知的氨基硅烷偶聯劑，包括但不限于γ-氨基丙基三乙氧基硅烷、γ-氨基丙基三甲氧基硅烷、y-氨丙基甲基三乙氧基硅烷、γ-氨丙基甲基三甲氧基硅烷。

26、根據本發明，步驟(1)中所述四氧化三鐵納米粒子與氨基硅烷偶聯劑質量比例為10：1～1：2。

27、根據本發明，步驟(1)中所述反應時間為6h～24h，例如為6h、8h、10h、12h、16h、20h和24h。

28、根據本發明，步驟(2)中所述聚苯乙烯與四氧化三鐵納米粒子質量比例為5：1～50：1。

29、根據本發明，步驟(2)中所述聚苯乙烯與四氧化三鐵熔融共混溫度為150～220℃，例如為150℃、160℃、170℃、180℃、190℃、200℃、210℃和220℃。

30、根據本發明，步驟(2)中所述聚苯乙烯與四氧化三鐵熔融共混時間為5～30min，例如為5min、7min、9min、11min、13min、15min、20min、25min和30min。

31、根據本發明，步驟(2)中所述聚乙烯與聚苯乙烯/四氧化三鐵復合材料質量比例為1：1～20：1。

32、根據本發明，步驟(2)中所述聚乙烯與聚苯乙烯/四氧化三鐵復合材料熔融共混溫度為180～220℃，例如為180℃、190℃、200℃、210℃和220℃。

33、根據本發明，步驟(2)中所述聚乙烯與聚苯乙烯/四氧化三鐵復合材料熔融共混時間為5～15min，例如為5min、7min、9min、11min、13min和15min。

34、根據本發明，步驟(3)中所述熱壓成型壓力為3～15mpa，例如為3mpa、5mpa、7mpa、9mpa、11mpa、13mpa和15mpa。

35、根據本發明，步驟(3)中所述熱壓成型溫度為180～220℃，例如為180℃、190℃、200℃、210℃和220℃。

36、根據本發明，步驟(3)中所述熱壓成型時間為1～10min，例如為1min、2min、3min、4min、5min、6min、7min、8min、9min、10min。

37、根據本發明，步驟(3)中所得聚乙烯/聚苯乙烯/四氧化三鐵薄膜厚度為50μm～1000μm，例如為50μm、100μm、200μm、500μm和1000μm。

38、根據本發明，步驟(4)中所述燃油機溶劑為能夠溶解聚苯乙烯的溶劑，包括但不限于甲苯、二甲苯、n，n-二甲基甲酰胺、丙酮和氯仿等。

39、根據本發明，步驟(5)中所述聚丙烯酸聚合度為20～10000，例如為20、50、100、200、500、1000、2000、5000和10000。

40、根據本發明，步驟(5)中所述聚丙烯酸水溶液濃度為1％～50％，例如為1％、2％、5％、10％、20％和50％。

41、根據本發明，步驟(5)中所述聚乙烯亞胺聚合度為3～300，例如為3、5、10、20、50、100、200和300。

42、根據本發明，步驟(5)中所述聚乙烯亞胺水溶液濃度為1％～50％，例如為1％、2％、5％、10％、20％和50％。

43、根據本發明，步驟(5)中所述氧化石墨烯納米片層碳氧原子個數比為2∶1～3：1，例如為2.1：1、2.2：1、2.3：1、2.4：1、2.5：1、2.6：1、2.7：1、2.8：1、2.9：1、3.0：1。

44、根據本發明，步驟(5)中所述氧化石墨烯分散液中氧化石墨烯濃度為0.1～10mg/ml，例如為0.1mg/ml、0.2mg/ml、0.5mg/ml、1.0mg/ml、2.0mg/ml、5.0mg/ml和10.0mg/ml。

45、本發明的技術效果和優點如下：

46、本發明通過在薄膜表面局部區域引入氧化石墨烯冰成核位點，促進水汽在氧化石墨烯表面結冰，并通過降低周邊區域水汽蒸氣壓，抑制冰的傳遞，防止聚乙烯表面結冰的發生，誘導不連續冰層的形成，可大幅降低冰層在薄膜表面的附著力，更容易去除。同時，在聚乙烯相及相界面引入四氧化三鐵光熱納米粒子，在光照下可以升高薄膜表面溫度，進一步降低除冰難度，使薄膜表現出更加優異的除冰性能。