CN103408060B - 在多结构高分子表面制备ZnO阵列的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在多结构高分子表面制备ZnO阵列的方法，属于界面化学领域。所述方法包括缓冲材料的制备，基底材料表面的修饰以及二者结合后ZnO阵列的生长的步骤。本发明解决了ZnO和高分子表面的结合问题，实现了良好的实验重复性；解决了高分子和无机ZnO材料的结合问题，可以在多种高分子材料表面实现制备；本发明的制备周期短，可以实现大规模生产。

Description

在多结构高分子表面制备ZnO阵列的方法

技术领域

本发明属于界面化学领域，具体涉及一种在多结构高分子表面上制备ZnO阵列的方法。

背景技术

高分子材料表面制备ZnO纳米阵列的方法有很多，主要包括：CVD、PVD、sol-gel、电子束刻蚀等方法。但是这些制备方法有的需要贵重的仪器、苛刻的实验条件，有的需要催化剂。很少有一种实验方法，可以同时解决在高分子球和纤维上生长ZnO阵列的问题。近年来，一些文献中提到了在高分子表面制备ZnO纳米棒。例如，王中林通过湿化学合成的方法，在高分子基底上制备了ZnO纳米线。但是在这个制备过程中，需要电子束刻蚀技术，而且需要控制的参数也比较多，这就有可能对实验的重复性带来一定的影响。磁控溅射技术是一种非常成熟的制备ZnO阵列的方法，但是它对于基底的要求有严格的条件限制。

发明内容

针对当前在高分子基底上制备规则ZnO阵列方法所存在的问题，本发明提供一种全新的制备技术。目的是通过这种制备技术，去解决在微米球、纤维表面制备规则阵列结构的问题，从而为超疏水、防冰、集水领域提供更好的基底材料。在多结构高分子表面制备ZnO纳米阵列的方法中，如果要做到规则和高重复性，大都需要高级的仪器（例如，CVD、PVD或磁控溅射），而且对实验条件的要求也非常苛刻。本发明通过简单的实验条件，低成本和短周期地在高分子表面制备ZnO纳米阵列，重复性能达到100%。

本发明中解决了ZnO和高分子表面的结合问题，实现了良好的实验重复性，本发明提供的在多结构高分子表面上制备ZnO阵列的方法包括如下步骤：

第一步，缓冲材料的制备：

将石墨和醋酸锌溶液(浓度0.1-3g/L)进行混合，得到混合溶液；混合时保证醋酸锌溶液可以完全浸没含石墨材料，这样可以在含有石墨材料的表面吸附有醋酸锌。混合溶液干燥后，置于马弗炉内300-400℃高温煅烧并保温1小时。取出后，制备成纳米级粉末。所述混合溶液中石墨与醋酸锌的质量比为3:1～10:1。所述含有石墨的材料在使用之前先用无水乙醇进行清洗一小时以上。

第二步，基底材料表面的修饰：

将所需要生长ZnO的基底材料与缓冲材料进行混合均匀，基底表面即得到了修饰。所述基底材料与缓冲材料的质量比为2:1～20:1。所述的基底材料选取高分子微米球（PVDF或 PMMA等）、纤维（尼龙纤维或者碳纤维）或者海绵。

第三步，ZnO阵列的生长： 

将修饰好的基底材料放入到反应釜内，加入含有Zn²⁺的生长液，在85～90℃条件下保温反应10～12小时。待反应釜冷却后取出，材料表面长满规则的ZnO阵列。

所述的含有Zn²⁺的生长液为硝酸锌或醋酸锌。

本发明的优点在于：

1、本发明提供了一种简单、低成本的规则ZnO阵列的制备方法。例如，实验可靠的重复性，就足以说明这种方法的可行性；

2、本发明解决了高分子和无机ZnO材料的结合问题，可以在多种高分子材料表面实现制备；

3、本发明可以实现大面积制备具有微纳米结构的表面，可以实现大规模生产；

4、本发明对实验条件要求宽松，自来水可以代替去离子水来完成实验，为大规模生产提供了条件；

5、本发明的制备周期短，可以实现大规模生产。

附图说明

图1a为PVDF表面ZnO阵列结构在低倍电镜下的微观结构图；

图1b为PVDF表面ZnO阵列结构在高倍电镜下的微观结构图；

图2a为PMMA表面ZnO阵列结构在低倍电镜下的微观结构图；

图2b为PMMA表面ZnO阵列结构在高倍电镜下的微观结构图；

图3a为碳纤维表面ZnO阵列结构在低倍电镜下的微观结构图；

图3b为碳纤维表面ZnO阵列结构在高倍电镜下的微观结构图；

图4a为尼龙表面ZnO阵列结构在低倍电镜下的微观结构图；

图4b为尼龙表面ZnO阵列结构在高倍电镜下的微观结构图；

图5a为海绵表面ZnO阵列结构在低倍电镜下的微观结构图；

图5b为海绵表面ZnO阵列结构在高倍电镜下的微观结构图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

本发明在高分子微米球（PVDF、PMMA）和纤维（尼龙、碳纤维），以及海绵表面制备ZnO阵列结构，下面通过实施例具体说明应用本发明提供的方法在多结构高分子表面制备ZnO阵列。

实施例1

采用本发明提供的方法在PVDF表面制备ZnO阵列，具体步骤如下：

第一步，缓冲材料的制备：

选取含石墨材料为石墨，将石墨放入无水乙醇中，静置1h，实现对石墨的表面清洗；清洗取出后将石墨和醋酸锌溶液进行混合，石墨和醋酸锌的质量比为3:1。在烘箱中将其干燥，转入马弗炉内高温煅烧，400℃条件下保温1h。取出后，通过球磨机将其粉碎成纳米级粉末颗粒。所述醋酸锌溶液的浓度为0.1g/L。

第二步，基底材料表面的修饰：

将需要生长ZnO的PVDF微米球和缓冲材料进行混合，混合的比例按照质量比5：1，微米球表面即得到修饰。在基底材料表面会附着一层缓冲材料。

第三步，制备ZnO阵列：

将修饰后的基底材料放入到反应釜中，将含有Zn²⁺的生长液放入反应釜。升温至85℃，保温反应10小时，待反应釜冷却后取出，得到表面长满规则的ZnO阵列。

如图1a和图1b所示，PVDF微米球SEM表征图显示，在PVDF表面生成规则的ZnO阵列。

实施例2：

在PMMA微米球表面制备ZnO阵列，具体步骤如下：

第一步，缓冲材料的制备：

将石墨放入无水乙醇中，静置1h，清洗石墨表面；取出后将石墨和醋酸锌溶液进行混合，其中石墨和醋酸锌的质量比为10:1。在烘箱中将其干燥，转入马弗炉内煅烧，300℃条件下保温1h。取出后，通过球磨机将其粉碎成纳米级颗粒。所述醋酸锌溶液的浓度为3g/L。

第二步，基底材料表面的修饰：

将需要生长ZnO的PMMA微米球和缓冲材料进行混合，混合的比例按照质量比10:1，PMMA微米球表面即得到修饰。在基底材料表面会附着一层缓冲材料。

第三步，制备ZnO阵列：

将修饰后的基底材料放入到反应釜中，将含有Zn²⁺的生长液放入反应釜。升温至90℃，保温反应12h，待反应釜冷却后取出，得到表面规则的ZnO阵列结构。

如图2a和图2b所示，PMMA微米球SEM表征图显示，在PMMA微米球表面生成了ZnO阵列，ZnO阵列规则分布。

实施例3:在碳纤维表面制备ZnO阵列，具体步骤如下：

第一步，缓冲材料的制备：

将含有石墨的材料放入无水乙醇中，静置1h；取出后将含有石墨的材料和醋酸锌溶液进行混合，石墨和醋酸锌的质量比为10:1。在烘箱中将其干燥，转入马弗炉内煅烧，400℃条件下保温1h。取出后，通过球磨机将其粉碎成纳米级颗粒。所述醋酸锌溶液的浓度为2g/L。

第二步，基底材料表面的修饰：

将需要生长ZnO的碳纤维和缓冲材料进行混合，混合的比例按照质量比20:1，纤维表面即得到修饰。在基底材料表面会附着一层缓冲材料。

第三步，制备ZnO阵列：

将修饰后的基底材料放入到反应釜中，将含有Zn²⁺的生长液放入反应釜。升温至90℃，保温反应10h，待反应釜冷却后取出，得到表面规则的ZnO阵列结构。

如图3a和图3b的扫描SEM表征图显示，在碳纤维表面生成了ZnO阵列。

实施例4:在尼龙纤维表面制备ZnO阵列，具体步骤如下：

第一步，缓冲材料的制备：

将石墨放入无水乙醇中，静置1h；取出后将石墨和醋酸锌溶液进行混合，石墨和醋酸锌的质量比为10:1。在烘箱中将其干燥，转入马弗炉内煅烧，400℃条件下保温1h。取出后，通过球磨机将其粉碎成纳米级颗粒。所述醋酸锌溶液的浓度为2g/L。

第二步，基底材料表面的修饰：

将需要生长ZnO的尼龙和缓冲材料进行混合，混合的比例按照质量比2:1，纤维表面即得到修饰。在基底材料表面会附着一层缓冲材料。

第三步，制备ZnO阵列：

将修饰后的基底材料放入到反应釜中，将含有Zn²⁺的生长液放入反应釜。升温至90℃，保温反应10h，待反应釜冷却后取出，得到表面规则的ZnO阵列结构。

如图4a和图4b的扫描SEM表征图显示，在尼龙表面生成了ZnO阵列。

实施例5:在海绵表面制备ZnO阵列，具体步骤如下：

第一步，缓冲材料的制备：

将石墨放入无水乙醇中，静置1h；取出后将石墨和醋酸锌溶液进行混合，石墨和醋酸锌的质量比为10:1。在烘箱中将其干燥，转入马弗炉内煅烧，400℃条件下保温1h。取出后，通过球磨机将其粉碎成纳米级颗粒。所述醋酸锌溶液的浓度为2g/L。

第二步，基底材料表面的修饰：

将需要生长ZnO的海绵和缓冲材料进行混合，混合的比例按照质量比3:1，纤维表面即得到修饰。在基底材料表面会附着一层缓冲材料。

第三步，制备ZnO阵列：

将修饰后的基底材料放入到反应釜中，将含有Zn²⁺的生长液放入反应釜。升温至90℃，保温反应10h，待反应釜冷却后取出，得到表面规则的ZnO阵列结构。

如图5a和图5b的扫描SEM表征图显示，在海绵表面生成了ZnO阵列。

Claims (8)

1.一种在多结构高分子表面制备ZnO阵列的方法，其特征在于：包括以下几个步骤：

第一步，缓冲材料的制备：

将含石墨材料和醋酸锌溶液进行混合，保证含石墨材料表面吸附有醋酸锌；干燥后转入马弗炉内高温煅烧；取出后，通过球磨机将其粉碎成纳米级颗粒；所述高温煅烧的条件为温度300～400℃条件下保温1h；

第二步，基底材料表面的修饰：

将需要生长ZnO的基底材料和缓冲材料进行混合，基底材料表面即得到修饰；

第三步，制备ZnO阵列：

将修饰后的基底材料放入到反应釜中，将含有Zn²⁺的生长液放入反应釜；反应釜升温至85-90℃，保温反应10-12h，在基底材料表面得到规则的ZnO阵列结构。

2.根据权利要求1所述的一种在多结构高分子表面制备ZnO阵列的方法，其特征在于：所述含石墨材料在使用前用无水乙醇清洗1小时以上。

3.根据权利要求1所述的一种在多结构高分子表面制备ZnO阵列的方法，其特征在于：所述的含石墨材料为石墨。

4.根据权利要求1所述的一种在多结构高分子表面制备ZnO阵列的方法，其特征在于：所述的基底材料选取高分子微米球、纤维或者海绵。

5.根据权利要求1所述的一种在多结构高分子表面制备ZnO阵列的方法，其特征在于：所述基底材料和缓冲材料的质量比为2:1～20:1。

6.根据权利要求1所述的一种在多结构高分子表面制备ZnO阵列的方法，其特征在于：所述醋酸锌溶液的浓度为0.1-3g/L。

7.根据权利要求1所述的一种在多结构高分子表面制备ZnO阵列的方法，其特征在于：所述含有Zn²⁺的生长液为硝酸锌或醋酸锌。

8.根据权利要求1所述的一种在多结构高分子表面制备ZnO阵列的方法，其特征在于：所述将石墨和醋酸锌溶液进行混合，其中石墨与醋酸锌的质量比为3:1～10:1。