CN108912748A - 一种碳基材料与四氧化三铁复合的致密超疏水涂层的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碳基材料与四氧化三铁复合的致密超疏水涂层的制备方法，包括以下步骤：1)、制备Fe₃O₄粉末；2)、配制粉粒混合悬浊液；3)、利用旋转涂抹法在衬底表面制备得到疏水涂层。本发明的碳基材料与四氧化三铁复合的致密超疏水涂层的制备方法实现了利用碳基材料，添加四氧化三铁增大结合力获得致密涂层，具有超高疏水性能；材料表面的超疏水性能，使水滴难以在涂层表面存留，在低温极端环境下，具有抗结冰的特性，保证了其正常运用，例如南北极考场团队的破冰船，有效防止船体结冰阻碍前进运转，有效降低能耗；材料超疏水性能也赋予材料自清洁能力，液滴滴到涂层上快速滑落带走污渍。

Description

一种碳基材料与四氧化三铁复合的致密超疏水涂层的制备 方法

技术领域

本发明涉及一种碳基材料与四氧化三铁复合的致密超疏水涂层的制备方法。

背景技术

在输电线路、航空、航天、航海、高铁运输等领域，设备结冰可能造成难以预估的损害，例如高压输电线路及塔架严重结冰，可能发生拉断、倒塌，造成大规模断电，直接经济损失数以万计；高纬度洋流中船只和破冰船更是面临冻结在冰面难以前进的风险，甚至有人船两失的危险。传统的解决方法一般从融冰除冰出发，但难以从根本上解决问题。大量研究结果表明，当材料表面具有超疏水性能时，水与表面粘附力极弱，很大程度地达到康结冰的效果，即延迟、降低、甚至完全阻止湿雪、冰、霜在表面上大面积覆盖。自然界中存在一些特殊的动植物，天生具有超疏水表面，例如荷叶，由于其微-纳米双重结构，具有特殊的自清洁特性(荷叶效应)。

因此，需要一种新的致密超疏水涂层以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的是针对在现有技术中的不足，提供一种碳基材料与四氧化三铁复合的致密超疏水涂层的制备方法。

为实现上述发明目的，本发明的碳基材料与四氧化三铁复合的致密超疏水涂层的制备方法可采用如下技术方案：

一种碳基材料与四氧化三铁复合的致密超疏水涂层的制备方法，包括以下步骤：

1)、制备Fe₃O₄粉末；

2)、配制粉粒混合悬浊液；

3)、利用旋转涂抹法在衬底表面制备得到疏水涂层。

更进一步的，步骤1)中Fe₃O₄粉末的制备方法包括以下步骤：

11)、称取FeNO₃·9H₂O、FeSO₄·7H₂O与H₂O，混合均匀得到混合溶液；

12)、向步骤11)中得到的混合溶液中加入氨水将混合溶液的PH调至10，混合溶液中生成黑色沉淀，继续搅拌使其反应充分；

13)、利用磁力分离上清液，并对剩余沉淀物进行清洗，过滤后进行干燥得到Fe₃O₄粉末。

更进一步的，步骤11)中FeNO₃·9H₂O、FeSO₄·7H₂O和H₂O的重量比为4∶1.39∶200。

更进一步的，步骤2)中配制粉粒混合悬浊液包括以下步骤：

21)、称取Fe₃O₄粉末和石墨烯装入反应容器中，并加入PDMS和己烷，对反应容器进行密封；

22)、超声处理使得反应容器中混合物混合均匀得到粉粒混合悬浊液。

更进一步的，步骤21)中Fe₃O₄粉末和石墨烯的重量比为7∶1。

更进一步的，步骤21)中所述石墨烯通过活性炭替代。

更进一步的，步骤21)中Fe₃O₄粉末、石墨烯、PDMS和己烷的比例为1g∶0.1g∶1g∶20mL。

更进一步的，步骤3)中利用旋转涂抹法在衬底表面制备得到疏水涂层包括以下步骤：

31)、选择衬底，并利用中性洗涤剂清洗衬底表面；

32)、将步骤2)得到的粉粒混合悬浊液滴加至衬底上，采用旋转涂抹法涂抹均匀；

33)、干燥得到疏水涂层。

有益效果：本发明的碳基材料与四氧化三铁复合的致密超疏水涂层的制备方法实现了利用碳基材料，添加四氧化三铁增大结合力获得致密涂层，具有超高疏水性能；材料表面的超疏水性能，使水滴难以在涂层表面存留，在低温极端环境下，具有抗结冰的特性，保证了其正常运用，例如南北极考场团队的破冰船，有效防止船体结冰阻碍前进运转，有效降低能耗；材料超疏水性能也赋予材料自清洁能力，液滴滴到涂层上快速滑落带走污渍。

附图说明

图1为本发明实施例1中步骤1的流程图。

图2为本发明对比例5-14的接触角测量结果柱状图及接触角示意图；

图3为本发明实施例1和对比例3、4的接触角测量结果柱状图及接触角示意图；

图4为本发明实施例2的接触角测量结果柱状图及接触角示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

实施例1

步骤1：制备Fe₃O₄。具体包括如下步骤：

步骤1.1：称取FeNO₃·9H₂O药品4克，加入200mLH₂O在500mL烧杯内加入磁力转子磁力搅拌5分钟；

步骤1.2：称取FeSO₄·7H₂O药品1.39克加入溶液内继续磁力搅拌30分钟；

步骤1.3：一边搅拌一边用PH测量计监测，逐滴滴加氨水至PH为10，溶液变浑浊生成黑色沉淀；

步骤1.4：磁力搅拌30分钟使反应充分进行；

步骤1.5：磁力分离去除上清液，加入去离子水清洗三次，再用乙醇清洗三次；

步骤1.4：过滤后，在中真空干燥箱内25摄氏度干燥15小时，得到Fe₃O₄粉末。

步骤2：制备Fe3O4-石墨烯混合悬浊液。具体包括如下步骤：

步骤2.1：称取0.7g Fe₃O₄、0.1g石墨烯装入玻璃瓶，加入1g PDMS；

步骤2.2：通风橱内用移液枪加入20mL己烷，保鲜膜密封瓶口盖上瓶盖；

步骤2.3：超声30min混合均匀。

步骤3：旋转涂抹法制备疏水层。具体包括如下步骤：

步骤3.1：钛片裁剪8×8mm作为衬底，用丙酮超声清洗3次、乙醇超声清洗3次后自然晾干；

步骤3.2：开机，设置旋转涂抹程序，5s加速至500r/min，保持5秒；

步骤3.3：将钛片放在吸盘内，开泵抽气固定；

步骤3.4：移液枪滴加混合悬浊液40μL，静置25秒后开启旋涂；

步骤3.5：旋涂结束，样品放入真空干燥箱，设置80摄氏度真空干燥2小时，得到疏水层。

步骤4：测量接触角。具体包括如下步骤：

步骤4.1：室温和环境湿度下，使用Fibro 1121/1122 DAT-Dynamic接触角测试仪来测量接触角，仪器开机，微量注射器取去离子水，载物台上方夹具夹取样品作为衬底，疏水层朝上；

步骤4.2：将进样器或微量注射器固定在载物台上方调焦，放大两倍调节摄像头到载物台的距离使得图象最清晰；

步骤4.3：用微量注射器压出5μL的样品，从活动图象中看到进样器下端出现一个清晰的小液滴；

步骤4.4：旋转载物台底座的旋钮使得载物台慢慢上升况触碰悬挂在进样器下端的液滴后下降况使液滴留在钛平面上；对于超疏水材料，难以接下液滴的情况则保持液滴形态进行测试；

步骤4.5：接样后快速冻结图像，点击界面右上角的冻结图象按钮将画面固定况再点击File菜单中的Save as将图象保存在文件夹中；

步骤4.6：先打开存储图像以接触面为准线画一条基线，点击量角法按钮况进入量角法主界面况按开始键打开画好基线的图象。这时图象上出现一个由两直线交叉45度组成的测量尺况利用键盘上的Z、X、Q、A键即左、右、上、下键调节测量尺的位置使测量尺交点位于液滴顶点，两端与液滴边缘相交得到接触角的数值。

实施例2

与实施例1类似，区别在于，将实施例1的步骤2.1中的石墨烯改为活性炭，其他条件保持一致。

实施例2得到的疏水层同样具有超疏水性能。

对比例3

通过改变Fe₃O₄的量考量对疏水性能的影响：

与实施例1类似，区别在于，将实施例1的步骤2.1中的0.7g Fe₃O₄改为0.1g，其他条件保持一致。

对比例4

与实施例1类似，区别在于，将实施例1的步骤2.1中的0.7g Fe₃O₄改为0.5g，其他条件保持一致。

对比例5

单一碳基材料制备疏水层的疏水性能对比：

与实施例1类似，区别在于，无需步骤2制备Fe₃O₄，将实施例1的步骤2.1中的0.7gFe₃O₄、0.1g石墨烯改为0.1g石墨，其他条件保持一致。

对比例6

与实施例1类似，区别在于，无需步骤2制备Fe₃O₄，将实施例1的步骤2.1中的0.7gFe₃O₄、0.1g石墨烯改为0.5g石墨，其他条件保持一致。

对比例7

与实施例1类似，区别在于，无需步骤2制备Fe₃O₄，将实施例1的步骤2.1中的0.7gFe₃O₄、0.1g石墨烯改为0.7g石墨，其他条件保持一致。

对比例8

与实施例1类似，区别在于，无需步骤2制备Fe₃O₄，将实施例1的步骤2.1中的0.7gFe₃O₄、0.1g石墨烯改为0.1g活性炭，其他条件保持一致。

对比例9

与实施例1类似，区别在于，无需步骤2制备Fe₃O₄，将实施例1的步骤2.1中的0.7gFe₃O₄、0.1g石墨烯改为0.5g活性炭，其他条件保持一致。

对比例10

与实施例1类似，区别在于，无需步骤2制备Fe₃O₄，将实施例1的步骤2.1中的0.7gFe₃O₄、0.1g石墨烯改为0.7g活性炭，其他条件保持一致。

对比例11

与实施例1类似，区别在于，无需步骤2制备Fe₃O₄，将实施例1的步骤2.1中的0.7gFe₃O₄、0.1g石墨烯改为1g活性炭，其他条件保持一致。

对比例12

考察Fe₃O₄制备疏水层的疏水性能对比

与实施例1类似，区别在于，将实施例1的步骤2.1中的0.7g Fe₃O₄、0.1g石墨烯改为0.1g Fe₃O₄，其他条件保持一致。

对比例13

与实施例1类似，区别在于，将实施例1的步骤2.1中的0.7g Fe₃O₄、0.1g石墨烯改为0.5g Fe₃O₄，其他条件保持一致。

对比例14

与实施例1类似，区别在于，将实施例1的步骤2.1中的0.7g Fe₃O₄、0.1g石墨烯改为0.7g Fe₃O₄，其他条件保持一致。

所有的应用例与对比例制备得到的涂层疏水性能测试接触角，结果如图二、图三、图四所示。

Claims (8)

1.一种碳基材料与四氧化三铁复合的致密超疏水涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)、制备Fe₃O₄粉末；

2)、配制粉粒混合悬浊液；

3)、利用旋转涂抹法在衬底表面制备得到疏水涂层。

2.如权利要求1所述的碳基材料与四氧化三铁复合的致密超疏水涂层的制备方法，其特征在于，步骤1)中Fe₃O₄粉末的制备方法包括以下步骤：

11)、称取FeNO₃·9H₂O、FeSO₄·7H₂O与H₂O，混合均匀得到混合溶液；

12)、向步骤11)中得到的混合溶液中加入氨水将混合溶液的PH调至10，混合溶液中生成黑色沉淀，继续搅拌使其反应充分；

13)、利用磁力分离上清液，并对剩余沉淀物进行清洗，过滤后进行干燥得到Fe₃O₄粉末。

3.如权利要求2所述的碳基材料与四氧化三铁复合的致密超疏水涂层的制备方法，其特征在于，步骤11)中FeNO₃·9H₂O、FeSO₄·7H₂O和H₂O的重量比为4：1.39：200。

4.如权利要求1所述的碳基材料与四氧化三铁复合的致密超疏水涂层的制备方法，其特征在于，步骤2)中配制粉粒混合悬浊液包括以下步骤：

21)、称取Fe₃O₄粉末和石墨烯装入反应容器中，并加入PDMS和己烷，对反应容器进行密封；

22)、超声处理使得反应容器中混合物混合均匀得到粉粒混合悬浊液。

5.如权利要求4所述的碳基材料与四氧化三铁复合的致密超疏水涂层的制备方法，其特征在于，步骤21)中Fe₃O₄粉末和石墨烯的重量比为7:1。

6.如权利要求4所述的碳基材料与四氧化三铁复合的致密超疏水涂层的制备方法，其特征在于，步骤21)中所述石墨烯通过活性炭替代。

7.如权利要求4所述的碳基材料与四氧化三铁复合的致密超疏水涂层的制备方法，其特征在于，步骤21)中Fe₃O₄粉末、石墨烯、PDMS和己烷的比例为1g：0.1g：1g：20mL。

8.如权利要求1所述的碳基材料与四氧化三铁复合的致密超疏水涂层的制备方法，其特征在于，步骤3)中利用旋转涂抹法在衬底表面制备得到疏水涂层包括以下步骤：

31)、选择衬底，并利用中性洗涤剂清洗衬底表面；

32)、将步骤2)得到的粉粒混合悬浊液滴加至衬底上，采用旋转涂抹法涂抹均匀；

33)、干燥得到疏水涂层。