CN110841892B - 基于蒸发诱导张力梯度驱动自组装涂层快速制备的方法 - Google Patents

基于蒸发诱导张力梯度驱动自组装涂层快速制备的方法 Download PDF

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Abstract

提供一种基于蒸发诱导张力梯度驱动自组装涂层快速制备的方法，其包括制备胶体溶液，胶体溶液包括溶剂和分散于所述溶剂中的胶体颗粒，溶剂包括第一液体和第二液体，第二液体溶于第一液体，第二液体的沸点低于第一液体，第二液体的表面张力低于第一液体；将具有预定温度的基底按照预定速度竖直浸没到胶体溶液中，第二液体蒸发，胶体溶液中产生的浓度梯度进而引发张力梯度，驱动胶体颗粒向基底运动并吸附至基底上；取出所述基底，干燥。本发明的方法具有工艺简便，制备速度快，成本低，易于控制，能大面积快速制备胶体薄膜涂层的优点。

Description

基于蒸发诱导张力梯度驱动自组装涂层快速制备的方法
技术领域
本发明涉及一种蒸发诱导张力梯度驱动自组装涂层快速制备的方法，特别是涉及一种工艺简便，成本低，无需对胶体溶液中的颗粒或基底进行表面修饰，适用于不同颗粒，可以应用在平面、曲面及网面等基底表面的胶体颗粒快速自组装方法。
背景技术
涂层是覆盖在基底上的固态薄膜，应用涂层的目的可以是装饰性、功能性或两者兼有，基底可以是金属、织物、塑料等。功能涂层可用于改变基底的表面性质，例如粘附性、润湿性、抗腐蚀、耐磨损，导热，导电，导磁等。涂层所表现出的功能主要取决于所采用的涂料的性质。例如，以微晶玻璃、铝矾土和硅酸锆为主要原料，用烧结法在铝质粘土砖表面制备耐高温耐磨陶瓷涂层，拓宽了粘土砖的应用范围；通过在棚板表面涂敷以氧化铝为主要成分的抗氧化保护涂层，使棚板的氧化得到缓解或抑制提高了使用寿命；胶体石墨水剂涂抹在不锈钢薄片上便可获得较好的平面场发射特性。用作涂料的物质有很多，包括油漆、聚合物、胶体颗粒等。其中，胶体颗粒在光、电、磁、力等方面具有很多独特的性质。随着颗粒合成技术的进步，不同尺寸、形状及化学性质颗粒的制备成为了可能。因此，用胶体颗粒制备的涂层具有重大的应用价值，成为了研究热点。
胶体涂层的制备方式主要有喷涂、浸泡，物理沉积，自组装等，但现有的方法都有不足之处。喷涂法所需的高度分散的雾状原料和快速挥发的溶剂不仅污染环境、伤害身体健康，而且还会造成原材料的浪费。浸泡法需要胶体溶液与基地有较好的润湿性并且很难获得均匀分布的胶体涂层。物理沉积法需要胶体溶液的高度分散并且需要消耗较长的时间。胶体颗粒自组装是在热力学平衡条件下进行的颗粒重排过程，当体系能量达到最小时形成稳定的二维或三维自组装结构，可以较好的控制胶体颗粒的排列，因此受到了广泛应用。通常，制备胶体涂层的自组装方法主要分为提拉法，静电力法，两相界面法。提拉法对环境因素较为敏感，并且需要专门的精密提拉设备，最重要的是该方法需要非常低的提拉速度，因此无法进行大面积制备，使其很难在工业生产中广泛应用。静电力法通常需要用带电的基团对基底或颗粒的表面进行化学修饰，从而改变其表面电荷，这会影响基底或颗粒的物理化学性能并导致自组装涂层有化学试剂残留，并且该方法操作过程繁琐随机性高，颗粒运动到近壁面静电力作用范围或与基底的直接碰撞本身是个热力学随机过程，因此需要消耗较长的组装时间。而两相界面法需要胶体颗粒在液气界面或液液界面处成膜，因此需要对颗粒进行修饰从而获得合适的接触角，这会影响基底或颗粒的物理化学性能，之后还需要用基底将薄膜从界面转移到基底表面，操作较为繁琐。
因此，如何研究一种可以快速大面积制备、对不同基底不同颗粒具有普适性、无需对胶体溶液中的颗粒或基底进行表面修饰、简单高效的胶体涂层制备方法，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种基于蒸发诱导张力梯度驱动自组装涂层快速制备的方法，其包括以下步骤：制备胶体溶液，所述胶体溶液包括溶剂和分散于所述溶剂中的胶体颗粒，所述溶剂包括第一液体和第二液体，所述第二液体溶于所述第一液体，所述第二液体的沸点低于所述第一液体，所述第二液体的表面张力低于所述第一液体；将具有预定温度的基底按照预定速度竖直浸没到所述胶体溶液中，所述第二液体蒸发，所述胶体溶液中产生的浓度梯度进而引发张力梯度，所述张力梯度驱动所述胶体颗粒向所述基底运动，并吸附至所述基底上；取出所述基底，干燥；其中，所述预定温度是指高于所述胶体溶液温度，且低于所述胶体溶液沸点的温度。
在某些实施方式中，所述的基于蒸发诱导张力梯度驱动自组装涂层快速制备的方法中，还包括对所述基底加热的步骤，将所述基底固定至加热装置表面，利用加热装置装置将所述基底加热至所述预定温度，并恒温保持。
在某些实施方式中，所述的基于蒸发诱导张力梯度驱动自组装涂层快速制备的方法中，所述预定速度为1mm/s～2mm/s。
在某些实施方式中，所述的基于蒸发诱导张力梯度驱动自组装涂层快速制备的方法中，所述第一液体和所述第二液体按照预定比例混合，所述第一液体与所述第二液体的体积比为(0.1～0.25)/1。
在某些实施方式中，所述的基于蒸发诱导张力梯度驱动自组装涂层快速制备的方法中，所述第一液体为水，所述第二液体为乙醇或丙醇。
在某些实施方式中，所述的基于蒸发诱导张力梯度驱动自组装涂层快速制备的方法中，所述胶体颗粒为聚苯乙烯球状颗粒或聚四氟乙烯胶囊状颗粒。
在某些实施方式中，所述的基于蒸发诱导张力梯度驱动自组装涂层快速制备的方法中，所述基底浸没至所述胶体溶液后，按照0.1mm/s～0.3mm/s的速度取出。
在某些实施方式中，所述的基于蒸发诱导张力梯度驱动自组装涂层快速制备的方法中，所述基底取出后干燥5min～30min。
在某些实施方式中，所述的基于蒸发诱导张力梯度驱动自组装涂层快速制备的方法中，所述基底为有机材料、无机材料或金属材料，所述基底的表面为平面、曲面、网状表面或纤维状表面。
在某些实施方式中，所述的基于蒸发诱导张力梯度驱动自组装涂层快速制备的方法中，所述基底预先经过清洗，清洗的具体过程为依次采用丙酮、乙醇、去离子水对基底进行清洗，各清洗10min，清洗完毕采用氩气吹干。
有益效果：
1.本发明所述的基于蒸发诱导张力梯度驱动自组装涂层快速制备的方法，工艺简便，制备速度快，成本低，易于控制，能大面积快速制备胶体薄膜涂层。
2.本发明所述的基于蒸发诱导张力梯度驱动自组装涂层快速制备的方法对不同类型的基底有广泛的适用性，基底材料可以是有机、无机及金属材料，基底形状可以是平面、曲面、网状及纤维状等。
3.本发明所述的基于蒸发诱导张力梯度驱动自组装涂层快速制备的方法对不同类型的胶体颗粒有广泛的适用性，胶体颗粒可以为聚苯乙烯(PS) 球状颗粒，聚四氟乙烯(PTFE)胶囊状颗粒等。
4.本发明所述的基于蒸发诱导张力梯度驱动自组装涂层快速制备的方法无需对基底或胶体溶液中的颗粒进行表面修饰，不改变其自身的物理化学性能。
附图说明
图1是本发明所述的基于蒸发诱导张力梯度驱动自组装涂层快速制备的方法的流程图。
图2是本发明实施例1提供的硅片上自组装PS薄膜的电镜图。
图3是本发明实施例2提供的硅片上自组装PTFE薄膜的电镜图。
图4是本发明实施例3提供的金属网上自组装PTFE薄膜的电镜图。
图5是本发明实施例3提供的金属网上自组装PTFE薄膜的电镜图。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为具体公开了该范围的上限和下限以及它们之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。关于本文中所使用的“和/或”，包括所述事物的任一或全部组合。除非另有说明，否则％指质量体积百分比。
本发明提供一种基于蒸发诱导张力梯度驱动自组装涂层快速制备的方法，其包括以下步骤：
制备胶体溶液，所述胶体溶液包括溶剂和分散于所述溶剂中的胶体颗粒，所述溶剂包括第一液体和第二液体，所述第二液体溶于所述第一液体，所述第二液体的沸点低于所述第一液体，所述第二液体的表面张力低于所述第一液体；
将具有预定温度的基底按照预定速度竖直浸没到所述胶体溶液中，所述第二液体蒸发，所述胶体溶液中产生的浓度梯度进而引发张力梯度，所述张力梯度驱动所述胶体颗粒向所述基底运动并吸附至所述基底上；
取出所述基底，干燥；
其中，所述预定温度是指高于所述胶体溶液温度，且低于所述胶体溶液沸点的温度。
具有预定温度的热的基底浸没至胶体溶液中后，胶体溶液受热，胶体溶液中的第二液体比第一液体更容易蒸发，从而在一定范围内产生张力梯度。张力梯度会引发Marangoni效应，致使基底附近的胶体颗粒向基底表面快速运动并与基底表面接触，在范德华引力的作用下颗粒被吸附在基底表面形成所述颗粒自组装涂层。
上述方案中，将具有预定温度的基底完全浸没到胶体溶液中，便可以将基底取出，工艺简单，制备迅速，成本低，且能大面积快速制备。
上述方案中，还包括将基底加热至预定温度的步骤，其具体为将基底固定至加热装置表面，利用加热装置对基底进行加热，当基底加热至预定温度后，恒温保持。
上述方案中，所述预定温度是指高于所述胶体溶液温度，且低于所述胶体溶液沸点的温度。
上述方案中，所述预定速度为1mm/s～2mm/s。在某些实施例中，所述预定速度为1mm/s、1.5mm/s或2mm/s。
上述方案中，在某些实施例中，所述溶剂中，所述第一液体的体积分数为10％，所述第二液体的体积分数为90％；或者，所述第一液体的体积分数为15％，所述第二液体的体积分数为85％；或者，所述第一液体的体积分数为20％，所述第二液体的体积分数为80％。
在某些实施例中，所述第一液体为水，所述第二液体为乙醇或丙醇。
在某些实施例中，所述胶体颗粒为聚苯乙烯球状颗粒或聚四氟乙烯胶囊状颗粒。
在某些实施例中，所述基底浸没至所述胶体溶液后，按照0.1mm/s、0.2 mm/s或0.3mm/s的速度取出。
在某些实施例中，所述基底取出后干燥5min、8min、10min、12min、 15min、17min、20min、22min、25min、27min或30min。
在某些实施例中，所述基底在达到预定温度前，需要预先对所述基底经过清洗，清洗的具体过程为依次采用丙酮、乙醇、去离子水对基底进行清洗，各清洗10min，清洗完毕采用氩气吹干。
实施例
实施例1
以硅片作为基底，将硅片依次采用丙酮、乙醇、去离子水各清洗10min，清洗完毕采用氩气吹干。
将基底固定于加热装置表面，利用加热装置加热基底至60℃后恒温保持。
制备胶体溶液，以水为第一液体，乙醇为第二液体，配制乙醇-水组成的混合液作为溶剂，选取质量分数为2.5％的聚苯乙烯(PS)分散液，用溶剂将PS分散液稀释成乙醇体积分数10％、聚苯乙烯颗粒质量分数2％的分散液，超声混合5min，得到胶体溶液。
将基底以2mm/s的速度竖直浸没到上述胶体溶液中。以0.2mm/s的速度将基底竖直取出，并放入烘干干燥箱中干燥5-30min。经扫描电子显微镜表征，发现硅片被PS颗粒覆盖(如图2所示)。
通过本发明所述的方法，在硅片上通过自组装的方式涂覆PS颗粒，使得硅片表面具有许多优异的性能，例如可以改变基底表面光学性能。
实施例2
以硅片作为基底，将硅片依次采用丙酮、乙醇、去离子水各清洗10min，清洗完毕采用氩气吹干。
将基底固定于加热装置表面，利用加热装置加热基底至60℃后恒温保持。
制备胶体溶液，以水为第一液体，乙醇为第二液体，配制乙醇-水组成的混合液作为溶剂，选取质量分数为60％聚四氯乙烯(PTFE)分散液，用溶剂将PTFE分散液稀释成乙醇体积分数10％、聚四氯乙烯颗粒质量分数6％的分散液，超声混合5min，得到胶体溶液。
将基底以2mm/s的速度竖直浸没到上述胶体溶液中。以0.2mm/s的速度将基底竖直取出，并放入烘干干燥箱中干燥5-30min。经扫描电子显微镜表征，发现硅片被PTFE颗粒覆盖(如图3所示)。
通过本发明所述的方法，在硅片上通过自组装的方式涂覆PTFE颗粒，使得硅片表面具有许多优异的性能，例如覆盖PTFE涂层的基底具有耐腐蚀、耐老化等特性。
同时，本实施例也说明，本方法适用于不同种类的颗粒。
实施例3
本实施例与所述实施例2基本相同，不同之处在于基底为金属网。经扫描电子显微镜表征，金属网中的单根金属丝被PTFE颗粒覆盖(如图4、5所示)。说明该方法适用于曲面及网状面。
在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见得的。本申请说明书和实施例仅是示例性的。

Claims (6)

1.一种基于蒸发诱导张力梯度驱动自组装涂层快速制备的方法，其包括以下步骤：
制备胶体溶液，所述胶体溶液包括溶剂和分散于所述溶剂中的胶体颗粒，所述溶剂包括第一液体和第二液体，所述第二液体溶于所述第一液体，所述第二液体的沸点低于所述第一液体，所述第二液体的表面张力低于所述第一液体；
对基底加热，将所述基底固定至加热装置表面，利用加热装置将所述基底加热至预定温度，并恒温保持；
将具有所述预定温度的基底按照预定速度竖直浸没到所述胶体溶液中，所述第二液体蒸发，所述胶体溶液中产生的浓度梯度进而引发张力梯度，所述张力梯度驱动所述胶体颗粒向所述基底运动并吸附至所述基底上；
取出所述基底，干燥5min～30min；
其中，所述预定温度是指高于所述胶体溶液温度，且低于所述胶体溶液沸点的温度；所述第一液体为水，所述第二液体为乙醇或丙醇；所述胶体颗粒为聚苯乙烯球状颗粒或聚四氟乙烯胶囊状颗粒。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述预定速度为1mm/s～2mm/s。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一液体和所述第二液体按照预定比例混合，所述第一液体与所述第二液体的体积比为（0.1～0.25）/1。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述基底浸没至所述胶体溶液后，按照0.1mm/s～0.3mm/s的速度取出。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述基底为有机材料或无机材料，所述基底的表面为平面、曲面、网状表面或纤维状表面。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述基底预先经过清洗，清洗的具体过程为依次采用丙酮、乙醇、去离子水对基底进行清洗，各清洗10min，清洗完毕采用氩气吹干。
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