科琴黑/气相生长碳纤维/聚丙烯导电超疏水复合材料的制备

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导电超疏水材料在抗冰除冰、防水电子器件、传感器等领域有广泛的应用前景,成本低廉、耐磨性好、性能稳定、使用寿命长且制备过程对环境友好的导电超疏水材料仍待开发。石化能源的大量使用使环境问题日益严重,大力发展清洁能源是解决此问题的一个途径。风能是一种清洁能源,但冻雨、暴雪等自然灾害天气会使风电扇叶表面结冰,损坏设备。导电超疏水材料的超疏水表面能有效防止低温雨水粘附,即使在恶劣环境下结冰,也可通过电热效应除冰,以保护设备。通过熔融共混法,制备了科琴黑/气相生长碳纤维/聚丙烯复合材料,将复合材料在液氮中脆断,其脆断面是由部分嵌入聚丙烯基体中的科琴黑和气相生长碳纤维构成的微观粗糙结构,保持科琴黑与气相生长碳纤维的质量比为2:1,当总填料含量为28.6 wt%时,水接触角高达172°,滚动角小于1°。脆断法不易大面积制备,用不同粗糙程度的砂纸处理复合材料表面,由于填料和树脂基体对机械摩擦的抵抗能力不同,合适粗糙程度的砂纸处理复合材料表面后形成微米尺度的粗糙结构,同时填料部分露出表面形成纳米尺度的粗糙结构,其中填料含量为33.3 wt%,科琴黑和气相生长碳纤维的比例为4:1,以600#砂纸无规则方式处理的复合材料水接触角为167.5°,滚动角小于1°,超疏水性能优异,该超疏水材料有良好的耐酸碱性、热稳定性以及水流冲击稳定性,且可以通过简单的砂纸处理修复超疏水性能。在复合材料两端接上铜网电极,用于抗冰领域。填料含量大于30 wt%时,复合材料电阻率小于1Ω·cm;当填料含量较高时(33.3wt%),填料的比例对电阻率的影响不大。在-10℃,40RH%的环境中,结冰时间相对纯PP延长115.5%,冰剪切力降低49%。复合材料两端施加1.5 V电压,即可保持材料表面温度为21℃左右,此时的功率密度为0.092 W/cm2,低温水滴落时会迅速弹走,无法累积结冰。利用电热效应除冰方法较“温和”,对材料表面的微纳粗糙结构破坏较小,5个结冰-除冰循环后复合材料表面的WCA依然在160°以上。
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