石墨烯光热功能表面的制备及其防除冰性能研究

作     者：秦秀章 

作者单位：吉林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：丛茜;陈廷坤

授予年度：2024年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：石墨烯光热超疏水涂层 石墨烯光热涂层 防冰性能 除冰性能 

摘      要：在低温高湿的环境中,冰极其容易附着在固体表面,冰附着并堆积在固体表面上会给工业生产和日常生活带来诸多损失和安全威胁。目前,传统的防除冰方法有机械类除冰、热融类除冰和化学类除冰。但上述方法存在效率低、浪费资源、易破坏材料表面,甚至会污染环境等问题。近些年来,受自然界中荷叶的超疏水特性的启发,研究人员提出超疏水表面具有优异的延迟结冰性能并能够降低冰与表面的冰粘附力。但也有学者提出超疏水表面虽然具有优异的防除冰性能,但其在低温时,仍然会结冰。因此,设计出一种主-被动防除冰表面是目前防除冰领域研究的关键。随着环保意识的增强和对可再生能源的重视,太阳能作为一种绿色可再生能源受到了越来越多研究人员的重视。因此,本文将光热功能表面与超疏水表面结合,开发一种主-被动防除冰功能表面。具体内容如下: (1)本文采用简单的制备方法,分别制备出石墨烯光热涂层和石墨烯光热超疏水涂层。对所制备的石墨烯光热功能表面微观形貌进行表征,并且对涂层的润湿性、光热转换性能、耐磨性进行测试,研究了疏水改性后的纳米二氧化硅对石墨烯光热超疏水涂层光热转换性能的影响。石墨烯光热超疏水涂层的接触角最高可以达到162°,滚动角为2°,该涂层表现出了优异的超疏水性能。石墨烯光热涂层的接触角为129°。石墨烯光热超疏水涂层在进行50次循环的砂纸磨擦后,其接触角为150°,仍然具有超疏水特性。由于石墨烯具有优异的光热转换能力,当在室温条件下给予光照,石墨烯光热超疏水涂层和石墨烯光热涂层的温度在300 s内分别能够上升到63.65℃和62.33℃,具有优异的光热转换性能。 (2)对石墨烯光热功能表面进行防冰性能测试并进行机理分析。石墨烯光热涂层具有良好的防冰性能,即使在-20℃,涂层仍然可以延迟水滴的冻结时间,达到防冰的效果。本文采用两种制冷方式对石墨烯光热功能表面进行防冰测试。首先是将水滴滴在样品表面,随后使样品表面的温度由室温分别降至-5℃、-10℃、-15℃和-20℃。当温度由室温降至-5℃时,石墨烯光热超疏水涂层上的水滴完全结冰时间为307 s,是铝表面的4.5倍。聚丙烯光热涂层上的水滴完全结冰时间为143 s,是铝表面的2倍。当温度由室温降至-10℃时,石墨烯光热超疏水涂层上的水滴的完全结冰时间为172 s,是铝表面的3.25倍。石墨烯光热涂层上的水滴完全结冰时间为81 s,是铝基底的1.5倍。当温度由室温下降到-15℃时,石墨烯光热超疏水涂层的完全结冰时间为170 s,是铝表面的2.7倍。当温度由室温下降到-20℃时,石墨烯光热超疏水涂层上的水滴完全结冰时间为119 s,是铝表面的3倍。当将水滴分别滴在-5℃,-10℃、-15℃和-20℃的冷表面时,石墨烯光热超疏水涂层上的水滴完全结冰分别是铝表面的7.9倍、3.7倍、3倍和2.3倍。同时,石墨烯光热超疏水涂层还具有良好的动态防冰性能。石墨烯光热涂层具有良好的防冰性能,即使在-20℃,涂层仍然可以延迟水滴的冻结时间,达到防冰的效果。 (3)对石墨烯光热超疏水涂层和石墨烯光热涂层的除冰性能进行测试。石墨烯光热超疏水涂层和石墨烯光热涂层具有优异的光热除冰性能。当涂层表面温度为-5℃时,石墨烯光热超疏水涂层在265 s后冰块完全融化,石墨烯光热涂层在283 s后冰块完全融化。当涂层表面温度为-10℃时,石墨烯光热超疏水涂层上的冰块在285 s内完全融化。石墨烯光热涂层上的冰块在299 s内完全融化。当涂层表面温度为-15℃时,石墨烯光热超疏水涂层的冰块融化时间为345 s,石墨烯光热涂层的冰块融化时间为355 s。当环境温度为-20℃时,石墨烯光热超疏水涂层上的冰块融化时间为371 s。石墨烯光热涂层上的冰块融化时间为380 s。 本文通过采用一种简便的合成工艺,将光热转化材料与低表面能物质进行结合,形成一种被动防冰与主动除冰相互结合的超疏水涂层。该方法为研制新型高效的防覆冰材料的研制奠定基础。同时,本文也将促进光热材料在抗结冰方面的进一步发展。