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改性MXene基超疏水复合材料及其光热防除冰性能

摘要

由于极地地区的恶劣气候，极地地区的科研和开采设备往往受到表面积冰的影响，

从而造成设备失灵，进而影响科研和工程进度。传统的除冰方法如手动除冰或化学除冰

存在除冰效率低、人力物力耗费大以及除冰范围窄等局限性，因而这类方法难以有效应

用于极地设备的维护以及基地工作的顺利进行，给极地活动带来了额外负担和安全隐患。

因此，在极地设备中引入低成本、高效率的除冰方式，可保障极地设备的平稳运行，进

而为极地工作的顺利开展提供支撑。在除冰过程中，往往需要为积冰提供热能，使积冰

转为化为液态水，从而促进积冰的脱落。在所有的外界能量中，太阳能是地球上存在最

广泛的可再生能源，利用太阳能进行防除冰工作，是一种绿色环保，成本低廉的防除冰

方式，而光热转换过程是利用太阳能防除冰的最直接的方式。为了充分发挥太阳能的防

除冰效率，需要制备一种具有高光热转化效率的疏水材料，将太阳能能量转化为融冰的

能量，并防止水滴在材料表面的富集，进而实现“防冰”和“除冰”的双功能。

在所有的光热转化材料中，MXene具有良好的光热转换效率，在目前的太阳光光热

应用中受到了广泛的青睐。然而，MXene的亲水性限制了其防除冰能力。因此，以MXene

为光热主体构建超疏水材料，是充分发挥MXene材料的防除冰功能的优选解决方案。

本论文以MXene作为光热主体，通过对MXene进行疏水修饰，并将疏水改性的MXene

与其他基材进行复合，制备出兼具超疏水性能和光热性能的防除冰复合材料，本文工作

将分为以下两部分内容：

（1）通过复形法制备出具有仿荷叶表面的聚二甲基硅氧烷（PDMS），然后将疏水

改性的MXene（OMXene）喷涂于仿荷叶PDMS表面，制备出具有仿荷叶表面的

PDMS/OMXene复合材料。通过测试复合材料接触角和光热升温能力，来评估该材料的

疏水性和光热转化性能。进而，通过磨损实验验证该材料的耐磨损性能。此外，通过测

试该材料在-10℃表面上水滴结冰时间，证实该材料具有延长水滴结冰时间的功能。通过

表征该材料在光照条件下的表面积冰形态变化，评估该材料的抑制水滴结冰和除冰的能

力。最后在-5℃户外环境对其进行实际应用测试。结果表明，具有仿荷叶表面的

PDMS/OMXene复合材料具有光热防除冰性能。

（2）通过正辛基三乙氧基硅烷（OTES）分别与ZnO和MXene的表面基团的硅烷

I

哈尔滨工程大学硕士学位论文

化反应，将四针型ZnO与MXene结合，制备出ZnO/OMXene复合材料。通过测试复合

材料接触角和光热升温能力，来评估该材料的疏水性和光热转化性能。此外，探究了

ZnO/OMXene中的MXene比例对材料性能的影响，发现MXene含量的提高会对材料的

疏水性能起到抑制作用，同时对材料的光热性能起到增强作用。进一步，通过将材料与

不同基底进行结合，发现材料虽然可以在不同基底上实现超疏水性能和光热性能，但通

过物理结合的方法与基底的结合力相对较弱。最后，通过实验测试该材料在在-10℃表面

和-5℃户外环境中的水滴结冰与融化时间，证明ZnO/OMXene复合材料具有防除冰性

能。

关键词：MXene；超疏水；光热转换；防除冰

II

改性MXene基超疏水复合材料及其光热防除冰性能

Abstract

Duetotheharshclimateofthepolarregions,scientificresearchandminingequipmentis

oftenaffectedbytheaccumulationoficeonthesurface,whichcausesequipmentmalfunctions

andinturnaffectstheprogressofscientificrese