CN108840320B - 一种利用水滴剥离方式制备碳薄膜的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用水滴剥离方式制备碳薄膜的方法，它是采用火焰沉积法在耐高温板材表面制备出超疏水碳膜层；然后将表面有超疏水碳膜层的耐高温板材倾斜放置，倾斜角度为5～50°，控制水滴从所述超疏水碳膜层表面向下滚动，并落在亲水性表面材料上，然后将所述亲水性表面材料上的水滴烘干，从而制得由碳纳米颗粒组成碳薄膜。本发明不仅制备方法简单、制备效率高，而且原料价格便宜、制备成本低，因此十分有利于大规模工业化生产。

Description

一种利用水滴剥离方式制备碳薄膜的方法
技术领域
本发明涉及碳纳米材料技术领域，尤其涉及一种利用水滴剥离方式制备碳薄膜的方法。
背景技术
碳纳米颗粒一般是指三维空间尺寸中至少有一维小于100nm的碳材料。碳纳米颗粒包括零维的富勒烯、一维的碳纳米管、二维的石墨烯等多种结构，这些碳纳米颗粒无论是在结构上还是在物理化学、光学性质上均具有十分优异的性质，因此在橡胶、塑料、化纤、油墨、涂料、电子元器件等诸多领域中均有广泛应用。近年来，人们对碳纳米颗粒光电特性的研究主要集中在其荧光特性方面，碳纳米颗粒在细胞成像和活体成像上展现出了很好的应用前景。
碳纳米颗粒在空气中具有良好的减摩性能，因此在零部件表面制备一层由碳纳米颗粒组成的碳薄膜能够有效降低磨损率，延长零部件的使用寿命。例如：微电子器件在运行时会由于高频振动引起磨损，若在接触面沉积一层碳薄膜，能够大幅降低磨损；磁盘、磁头表面沉积一层碳薄膜即可显著提高其耐磨性，延长使用寿命；在卫星、太空飞行器等高精密设备的轴承、陀螺等零件，需要尽量小的摩擦系数和磨损率，而传统的润滑油在外太空的恶劣工作环境中无法使用，但碳薄膜对此具有明显的优势。
在现有技术中，碳薄膜的厚度和均匀度可以通过调整制备参数来精确控制，并通过控制在低温条件下进行沉积可以避免引发基体变形，因此可以在许多微型器械的齿轮和马达上沉积一层碳薄膜，来降低磨损率，延长使用寿命。但现有技术中碳薄膜的制备方法工序繁琐、制备效率低、制备成本高。
发明内容
为了解决现有技术中碳薄膜的制备方法工序繁琐、制备效率低、制备成本高的技术问题，本发明提供了一种利用水滴剥离方式制备碳薄膜的方法，不仅制备方法简单、制备效率高，而且原料价格便宜、制备成本低，因此十分有利于大规模工业化生产。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种利用水滴剥离方式制备碳薄膜的方法，包括以下步骤：
步骤A、采用火焰沉积法在耐高温板材表面制备出接触角为150～170°、滚动角＜3°的超疏水碳膜层；
步骤B、将表面有所述超疏水碳膜层的耐高温板材倾斜放置，倾斜角度为5～50°，控制水滴从所述超疏水碳膜层表面由上向下滚动，并落在亲水性表面材料上，然后将所述亲水性表面材料上的水滴烘干，从而制得由碳纳米颗粒组成的碳薄膜。
优选地，在步骤B中，控制水滴从所述超疏水碳膜层上方5～50mm处向下滴落，滴落在所述超疏水碳膜层表面的水滴从所述超疏水碳膜层表面向下滚动。
优选地，在步骤B中，烘干温度为60～200℃，烘干时间为30～180min。
优选地，所述的由碳纳米颗粒组成碳薄膜中，碳纳米颗粒的尺寸为20～50nm，薄膜厚度20～200nm。
优选地，所述的采用火焰沉积法在耐高温板材表面制备出接触角为150～170°、滚动角＜3°的超疏水碳膜层包括：选取能承受500～1000℃高温的耐高温板材，并采用燃料为正丁烷的喷火枪对所述耐高温板材下表面进行火焰沉积碳膜层，该喷火枪的火焰与所述耐高温板材下表面的距离控制在0～10mm，火焰温度为500～1000℃，直至所述耐高温板材下表面沉积出均匀的碳膜层，停止火焰沉积碳膜层，再进行冷却处理，从而制得在耐高温板材表面制备出接触角为150～170°、滚动角＜3°的超疏水碳膜层。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明所提供的利用水滴剥离方式制备碳薄膜的方法利用了超疏水碳膜层的水滴接触角大(即接触角为150～170°)、滚动角小(即滚动角＜3°)的特性，将这种超疏水碳膜层以5～50°的倾斜角度倾斜放置，并控制水滴从所述超疏水碳膜层表面由上向下滚动，由于火焰沉积法制备的超疏水碳膜层物理结合力较差，因此当水滴在所述超疏水碳膜层表面滚动时，所述超疏水碳膜层表面的靠外层碳薄膜会一层层剥离而出，并包裹在水滴表面，而剥离后的碳膜层仍保持着超疏水性，从而将包裹有碳薄膜的水滴烘干，即可制得由大量碳纳米颗粒组成的碳薄膜。本发明所提供的利用水滴剥离方式制备碳薄膜的方法不仅制备方法简单、制备效率高，而且原料价格便宜、制备成本低，因此十分有利于大规模工业化生产。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例所提供的利用水滴剥离方式制备碳薄膜的方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
下面对本发明所提供的利用水滴剥离方式制备碳薄膜的方法进行详细描述。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
如图1所示，一种利用水滴剥离方式制备碳薄膜的方法，包括如下步骤：
步骤A、采用火焰沉积法在耐高温板材表面制备出接触角为150～170°、滚动角＜3°的超疏水碳膜层。
步骤B、将表面有所述超疏水碳膜层的耐高温板材倾斜放置，倾斜角度θ为5～50°，控制水滴从所述超疏水碳膜层上方5～50mm处向下滴落，滴落在所述超疏水碳膜层表面的水滴从所述超疏水碳膜层表面由上向下滚动，并落在亲水性表面材料(该亲水性表面材料可以采用铝合金、镁合金、钛合金及经过阳极氧化和微弧氧化处理后的多孔表面材料)上，然后将所述亲水性表面材料上的水滴烘干，烘干温度为60～200℃，烘干时间为30～180min，从而制得由碳纳米颗粒组成的碳薄膜。所述的由碳纳米颗粒组成碳薄膜中，碳纳米颗粒的尺寸为20～50nm，薄膜厚度20～200nm。
其中，所述的采用火焰沉积法在耐高温板材表面制备出接触角为150～170°、滚动角＜3°的超疏水碳膜层可以采用以下方法：选取能承受500～1000℃高温的耐高温板材，并采用燃料为正丁烷的喷火枪对所述耐高温板材下表面进行火焰沉积碳膜层，该喷火枪的火焰与所述耐高温板材下表面的距离控制在0～10mm，火焰温度为500～1000℃，直至所述耐高温板材下表面沉积出较为均匀的碳膜层后，停止火焰沉积碳膜层，再在室温下进行冷却处理，从而制得在耐高温板材表面制备出接触角为150～170°、滚动角＜3°的超疏水碳膜层。由于该喷火枪所用燃料是含碳丰富的化石燃料，因此能够在耐高温板材表面制备出接触角为150～170°、滚动角＜3°的超疏水碳膜层。
具体地，本发明所提供的利用水滴剥离方式制备碳薄膜的方法利用了超疏水碳膜层的水滴接触角大(即接触角为150～170°)、滚动角小(即滚动角＜3°)的特性，将这种超疏水碳膜层以5～50°的倾斜角度倾斜放置，并控制水滴从所述超疏水碳膜层表面由上向下滚动，由于火焰沉积法制备的超疏水碳膜层物理结合力较差，因此当水滴在所述超疏水碳膜层表面滚动时，所述超疏水碳膜层表面的靠外层碳薄膜会一层层剥离而出，并包裹在水滴表面，而剥离后的碳膜层仍保持着超疏水性，从而将包裹有碳薄膜的水滴烘干，即可制得由大量碳纳米颗粒组成的碳薄膜。该方法不仅制备方法简单、制备效率高，而且原料价格便宜、制备成本低，因此十分有利于大规模工业化生产。
综上可见，本发明实施例不仅制备方法简单、制备效率高，而且原料价格便宜、制备成本低，因此十分有利于大规模工业化生产。
为了更加清晰地展现出本发明所提供的技术方案及所产生的技术效果，下面以具体实施例对本发明中的利用水滴剥离方式制备碳薄膜的方法进行详细描述。
实施例1
如图1所示，一种利用水滴剥离方式制备碳薄膜的方法，包括如下步骤：
步骤a、选取能承受500～1000℃高温的尺寸为200×200×5mm的耐高温板材，并将该耐高温板材水平固定于铁架台上，然后采用燃料为正丁烷的喷火枪对所述耐高温板材下表面进行火焰沉积碳膜层，该喷火枪的火焰与所述耐高温板材下表面的距离控制在5mm，火焰温度为700℃，烧灼时间为5～30s，当能观察到所述耐高温板材下表面沉积出较为均匀的碳膜层较为均匀时，停止火焰沉积碳膜层，再在室温下进行冷却处理，从而制得在耐高温板材表面制备出接触角为150～170°、滚动角＜3°的超疏水碳膜层。
步骤b、将表面有所述超疏水碳膜层的耐高温板材倾斜放置，倾斜角度θ为20°，控制水滴从所述超疏水碳膜层上方20mm处向下滴落，滴落在所述超疏水碳膜层表面的水滴从所述超疏水碳膜层表面由上向下滚动，并落在亲水性表面材料上，然后将所述亲水性表面材料上的水滴烘干，烘干温度为80℃，烘干时间为90min，从而制得由碳纳米颗粒组成的碳薄膜。
综上可见，本发明实施例不仅制备方法简单、制备效率高，而且原料价格便宜、制备成本低，因此十分有利于大规模工业化生产。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种利用水滴剥离方式制备碳薄膜的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A、采用火焰沉积法在耐高温板材表面制备出接触角为150～170°、滚动角＜3°的超疏水碳膜层；
步骤B、将表面有所述超疏水碳膜层的耐高温板材倾斜放置，倾斜角度为5～50°，控制水滴从所述超疏水碳膜层表面由上向下滚动，并落在亲水性表面材料上，然后将所述亲水性表面材料上的水滴烘干，从而制得由碳纳米颗粒组成的碳薄膜。
2.根据权利要求1所述的利用水滴剥离方式制备碳薄膜的方法，其特征在于，在步骤B中，控制水滴从所述超疏水碳膜层上方5～50mm处向下滴落，滴落在所述超疏水碳膜层表面的水滴从所述超疏水碳膜层表面向下滚动。
3.根据权利要求1或2所述的利用水滴剥离方式制备碳薄膜的方法，其特征在于，在步骤B中，烘干温度为60～200℃，烘干时间为30～180min。
4.根据权利要求1或2所述的利用水滴剥离方式制备碳薄膜的方法，其特征在于，所述的由碳纳米颗粒组成碳薄膜中，碳纳米颗粒的尺寸为20～50nm，薄膜厚度20～200nm。
5.根据权利要求1或2所述的利用水滴剥离方式制备碳薄膜的方法，其特征在于，所述的采用火焰沉积法在耐高温板材表面制备出接触角为150～170°、滚动角＜3°的超疏水碳膜层包括：选取能承受500～1000℃高温的耐高温板材，并采用燃料为正丁烷的喷火枪对所述耐高温板材下表面进行火焰沉积碳膜层，该喷火枪的火焰与所述耐高温板材下表面的距离控制在0～10mm，火焰温度为500～1000℃，直至所述耐高温板材下表面沉积出均匀的碳膜层，停止火焰沉积碳膜层，再进行冷却处理，从而制得在耐高温板材表面制备出接触角为150～170°、滚动角＜3°的超疏水碳膜层。
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