CN112144273B - 一种具有超疏水导电的多功能织物表面的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有超疏水导电的多功能织物表面的制备方法，具体如下：（1）将一定质量的多巴胺溶液和氧化石墨烯溶液混合，在磁力转子的作用下搅拌均匀；（2）将清洗好的棉织物浸泡在上述配好的混合溶液里，进行多次浸渍烘干；（3）将棉织物浸泡在化学镀铜液中进行铜纳米颗粒原位生长；（4）将上述沉积铜的棉织物浸泡在配好的硬脂酸乳液里，反应结束后取出烘干，由此便获得具有超疏水导电多功能织物表面。该方法采用浸渍，原位生长法制备导电膜层以及硬脂酸修饰得到特殊浸润性功能织物表面，具有工艺简单易操作、反应条件可控、原材料来源广泛，成本低易降解，优良的导电性能，耐酸碱性能，持久稳定的超疏水自清洁性能，可应用于多种场合。

Description

一种具有超疏水导电的多功能织物表面的制备方法
技术领域
本发明属于超疏水导电材料技术领域，具体涉及一种具有超疏水导电多功能织物表面的制备方法。
背景技术
随着科学技术的快速发展，人民生活水平持续提高，对新材料的需求不断增加，新材料与功能，如防水、防雾、自清洁、抗菌、导电热性能等被广泛关注报道。导电棉织物广泛应用于耐磨、防电磁屏蔽、电加热等领域。导电棉织物通常由直接编织导电材料或在棉织物表面涂上导电填料制成，如碳基材料、金属填料、或导电聚合物。在长期使用的过程中，水或酸、碱等腐蚀性物质将导致导电材料的分解或氧化，从而降低了导电织物的电导率并影响使用，确保导电织物的长期使用是值得关注的一个问题。
自1997年德国植物学家Barthlott发现荷叶表面的自清洁效应和超疏水现象以来，超疏水表面已经引起了科研人员极大的兴趣和广泛的关注。超疏水表面是指与水滴的接触角大于150°且滚动角小于10°的表面。超疏水表面的微纳米结构对超疏水性起着至关重要的作用。随着科学的发展，科研人员成功地将超疏水表面构建于各种基材，得到多种复合材料。在导电涂层上构建超疏水表面，不仅可以提高材料的耐久性，还可以在恶劣环境下使用。超疏水性导电材料受到了广泛的关注。作为研究热点，碳纳米管和石墨烯经常被用于构建导电材料，它们具有良好的导电性、优良的固有载流子迁移性、高化学稳定性和易于功能化修饰等特点。目前，如何设计材料，如何在不影响导电率的情况下构建超疏水表面仍是需要研究的问题。 硬脂酸具有化学稳定性、无毒性等，近些年来被广泛用在疏水表面的改性中。目前，构筑超疏水导电涂层面临工艺复杂，涂层导电性能不稳定等问题，针对上述难题，我们提出采用多次浸渍法负载PDA/rGO膜层，原位生长铜纳米金属颗粒与硬脂酸修饰相结合的工艺构建微纳结构超疏水棉织物表面，所获得的表面具有持久的超疏水自清洁性能、良好的导电性能、化学稳定性等，有望在电致液体运输、防污自清洁、抗电磁屏蔽材料、电加热、传感、油水分离材料等得以广泛应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有超疏水导电多功能织物表面的制备方法，采用多次浸渍法，原位生长法制备导电铜纳米颗粒膜层与硬脂酸修饰相结合，解决制备超疏水导电涂层表面操作工艺复杂、导电性差、稳定性差的问题。所制备的表面对环境无污染，无毒害。
本发明的技术方案是：
一种具有超疏水导电多功能织物表面的制备方法，具体步骤如下：
（1）多次浸渍法制备PDA/rGO表面
将一定质量的多巴胺溶解在三羟甲基氨基甲烷，再和氧化石墨烯溶液进行混合，在磁力转子的作用下搅拌均匀，将清洗干净的棉布加入在上述混合溶液中多次浸渍后放入烘箱中干燥；
（2）原位生长铜纳米颗粒
将上述制备好的PDA/rGO膜层表面的棉布浸泡在配好的化学电镀溶液中，反应一定时间后取出烘干。
（3）硬脂酸修饰
将上述制备好的具有PDA/rGO/Cu膜层表面的棉布浸泡在配好的硬脂酸溶液中，反应一定时间后取出烘干，制得具有超疏水导电多功能织物表面。
进一步地，步骤（1）中所述混合溶液的具体配置步骤为将2 mg/ml多巴胺和0.05 g高碘酸钠溶解在三羟甲基氨基甲烷并和氧化石墨烯溶液混合，在磁力转子的作用下搅拌均匀。
进一步地，步骤（1）所述三羟甲基氨基甲烷溶液中，三羟甲基氨基甲烷溶液体积为10～100 ml。
进一步地，步骤（1）所述氧化石墨烯溶液中，氧化石墨烯浓度为1～6 mg/ml。
进一步地，步骤（1）所述的多次浸渍法制备PDA/rGO织物表面干燥温度范围为60℃～80℃。
进一步地，步骤（1）所述的多次浸渍法制备PDA/rGO织物表面浸渍反应时间为0.5h。
进一步地，步骤（2）中所述的化学电镀溶液的配制步骤为：将等体积的13 mg·mL−1CuSO4·5H2O溶液与12 mg·mL−1 NaOH和等体积29 mg·mL−1 KNaC4H4O6·4H2O 溶液进行混合。
进一步地，步骤（2）中所述的化学电镀铜纳米颗粒是指PDA/rGO织物在化学电镀溶液中浸泡1-3 h，然后在烘箱60℃烘干。
进一步地，步骤（3）所述硬脂酸乳液，硬脂酸质量分数为0.1 wt%。
进一步地，步骤（3）中所述的硬脂酸乳液改性PDA/rGO/Cu织物是将PDA/rGO/Cu织物在硬脂酸溶液中浸泡1 min，然后在烘箱75℃烘干。
本发明的优点是：
（1）采用多次浸渍法和原位生长法获得PDA/rGO/Cu表面，制备工艺简单，操作方便，制备的PDA/rGO/Cu导电性好、耐久性好，解决了许多传统方法制备工序复杂，耗时长、稳定性、导电性能差等问题。
（2）硬脂酸修饰PDA/rGO/Cu棉织物在短时间内就可获得超疏水自清洁表面。其形成超疏水表面的机理为：表面粗糙度和低表面能是决定材料超疏水性的因素，铜颗粒的沉积使织物形成微/纳米结构而使表面粗糙，我们使用了对环境友好无氟的物质进行表面改性，通过具有低表面能的硬脂酸分子进行表面改性，简单快速制备了超疏水导电棉织物。
（3）超疏水导电织物表现出良好的化学稳定性，超高的导电性，结合力稳定性。我们对超疏水棉织物的稳定性和耐腐蚀性进行了测试，所制备的超疏水织物在超声一个小时后，接触角仍然保持在150°以上。我们还将超疏水棉织物浸泡在pH不同的酸碱溶液中，在浸泡24 小时后，接触角仅有略微下降，有着优异的耐酸碱和稳定性。棉纤维素是世界上丰富的资源，成本低、可生物降解性好、耐化学性好，解决了原料成本高，环境污染严重等问题，并可在电致液体运输、防污自清洁、抗电磁屏蔽材料、电加热、传感、油水分离材料等得以广泛应用。
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，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中，
图1为本发明的具有超疏水导电多功能织物表面的制备方法过程示意图；
图2为本发明的具有超疏水导电多功能织物表面的XPS谱图；
图3为实施例四制备的具有超疏水导电多功能织物表面的SEM图；
图4为本发明的具有超疏水导电多功能织物表面的光学图片；
图5为本发明的不同氧化石墨烯浓度制备的超疏水导电多功能织物表面的电导率变化趋势图；
图6为本发明的具有超疏水导电多功能织物表面的接触角光学图片；
图7为本发明的原位生长2 h的超疏水导电多功能织物浸泡在酸碱溶液中24小时后表面的接触角变化趋势图；
图8为本发明的原位生长2 h的超疏水导电多功能织物超声1小时后表面的接触角变化趋势图。
具体实施方式
本发明提供一种具有超疏水导电多功能织物表面的制备方法，包括以下步骤：
（1）多次浸渍法构筑PDA/rGO表面
（2）原位生长铜纳米颗粒
（3）硬脂酸修饰
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
步骤一：多次浸渍法制备PDA/rGO表面
在一个实施例中，该步骤可以具体如下执行：先将棉布按照2×4 cm规格裁剪3块，并置于烧杯中依次经过去丙酮、无水乙醇、离子水超声30 min，超声完毕后放入烘箱60℃干燥，冷却备用。将2 mg/ml多巴胺和0.05 g高碘酸钠溶解在三羟甲基氨基甲烷溶液中，溶液体积为10 ml-100 ml，在磁力转子的作用下搅拌均匀，然后将配制好的溶液倒入含有氧化石墨烯溶液中，氧化石墨烯的浓度为1-6 mg/ml，在所述混合溶液中加入清洗干净的棉布并反应一定时间；
步骤二：原位生长铜纳米颗粒
在一个实施例中，该步骤可以具体如下执行：将上述制备好的PDA/rGO织物放入CuSO4·5H2O (13 mg·mL−1) 溶液与NaOH (12 mg·mL−1)和 KNaC4H4O6·4H2O (29 mg·mL−1)溶液的混合溶液中，再向其中加入等体积的HCHO溶液 (9.5 mL·L−1)，然后进行原位生长铜纳米颗粒，反应时间为1-3 h。
步骤三：硬脂酸修饰
在一个实施例中，该步骤可以具体如下执行：在去离子水中加入0.1 wt%的硬脂酸，在高速磁力转子的搅拌的状态下形成硬脂酸乳液，持续搅拌1 h后使用。将上述制备好的PDA/rGO/Cu棉织物表面浸泡在配好的硬脂酸溶液里面，经过1 min后取出，并在75℃下烘干。
请参阅图1，图1为本发明的具有超疏水导电多功能织物表面的制备方法的流程示意图。如图1所示，棉织物首先经过多次浸渍法构建PDA/rGO棉织物表面，然后经过原位生长铜纳米颗粒，最后经硬脂酸溶液修饰获得超疏水导电功能织物表面。
请参阅图2，图2为本发明的具有超疏水导电多功能织物表面的XPS谱图。制备的PDA/rGO/Cu织物表面出现了明显的Cu峰。
请参阅图3，图3为本发明的具有超疏水导电多功能织物表面SEM图。
请参阅图6，图6为本发明的具有超疏水导电多功能织物表面的接触角图片。如图6所示，制备的特殊浸润性功能织物表面，获得超疏水表面，接触角达到153°以上。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。但是本发明不限于所列出的实施例，还应包括在本发明所要求的权利范围内其他任何公知的改变。
首先，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
其次，本发明利用结构示意图等进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，示意图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是实例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间。
另外，本发明中所讲的字母简称，均为本领域固定简称，其中部分字母文解释如下：Tris-HCI ：三羟甲基氨基甲烷盐酸缓冲液；SEM图：电子扫描显像图；XPS谱图：X射线光电子能谱分析谱图。
实施例一
本实施方式按照如下步骤制备一种具有超疏水导电多功能织物表面：
步骤一、多次浸渍法制备PDA/rGO表面
将棉布按照2×4 cm规格裁剪3块，并置于烧杯中依次经过丙酮、无水乙醇、去离子水超声30 min，超声完毕后放入烘箱60℃干燥，冷却备用。用电子天平称量0.2 g多巴胺和0.05 g高碘酸钠，溶解在100 ml Tris-HCI中，搅拌0.5 h后加入2 mg/ml 100 ml 氧化石墨烯溶液中，在磁力转子的作用下搅拌均匀，然后加入清洗干净的棉布，进行三次浸渍，每次浸渍时间为0.5 h，干燥温度为80℃，反应结束后用去离子水彻底清洗干净棉织物表面多余的反应物。
步骤二、原位生长铜纳米颗粒
称取0.65 g CuSO4·5H2O溶于25 ml去离子水中，与称取0.6 g NaOH和1.45 gKNaC4H4O6·4H2O溶解于25 ml去离子水中，将两种液体混合溶液，再向其中加入50 ml 9.5mL·L−1的HCHO溶液，然后进行原位生长铜纳米颗粒，反应时间为2 h，并在60℃下烘干。
步骤三、硬脂酸表面修饰
称取0.1 g硬脂酸溶解于100 ml去离子水中，在高速磁力转子的搅拌的状态下形成硬脂酸乳液，持续搅拌1 h后使用。将上述制备好的PDA/rGO/Cu棉织物表面浸泡在配好的硬脂酸溶液里面，经过1 min后取出，并在75℃下烘干。
本实施例制备的一种具有超疏水导电多功能织物表面的光学图片请参阅图4。
实施例二
本实施方式按照如下步骤制备一种具有超疏水，导电多功能织物表面：
步骤一、多次浸渍法制备PDA/rGO表面
将棉布按照2×4 cm规格裁剪3块，并置于烧杯中依次经过丙酮、无水乙醇、去离子水超声30 min，超声完毕后放入烘箱60℃干燥，冷却备用。用电子天平称量0.2 g多巴胺和0.05 g高碘酸钠，溶解在100 ml Tris-HCI中，搅拌0.5 h后加入3 mg/ml 100 ml 氧化石墨烯溶液中，在磁力转子的作用下搅拌均匀，然后加入清洗干净的棉布，进行三次浸渍，每次浸渍时间为0.5 h，干燥温度为80℃，反应结束后用去离子水彻底清洗干净棉织物表面多余的反应物。
步骤二、原位生长铜纳米颗粒
称取0.65 g CuSO4·5H2O溶于25 ml去离子水中，与称取0.6 g NaOH和1.45 gKNaC4H4O6·4H2O溶解于25 ml去离子水中，将两种液体混合溶液，再向其中加入50 ml 9.5mL·L−1的HCHO溶液，然后进行原位生长铜纳米颗粒，反应时间为2 h，并在60℃下烘干。
步骤三、硬脂酸表面修饰
称取0.1 g硬脂酸溶解于100 ml去离子水中，在高速磁力转子的搅拌的状态下形成硬脂酸乳液，持续搅拌1 h后使用。将上述制备好的PDA/rGO/Cu棉织物表面浸泡在配好的硬脂酸溶液里面，经过1 min后取出，并在75℃下烘干。
本实施例制备的一种具有超疏水，导电多功能织物表面的光学图片请参阅图4。
实施例三
本实施方式按照如下步骤制备一种具有超疏水，导电多功能织物表面：
步骤一、多次浸渍法制备PDA/rGO表面
将棉布按照2×4 cm规格裁剪3块，并置于烧杯中依次经过丙酮、无水乙醇、去离子水超声30 min，超声完毕后放入烘箱60℃干燥，冷却备用。用电子天平称量0.2 g多巴胺和0.05 g高碘酸钠，溶解在100 ml Tris-HCI中，搅拌0.5 h后加入4 mg/ml 100 ml 氧化石墨烯溶液中，在磁力转子的作用下搅拌均匀，然后加入清洗干净的棉布，进行三次浸渍，每次浸渍时间为0.5 h，干燥温度为80℃，反应结束后用去离子水彻底清洗干净棉织物表面多余的反应物。
步骤二、原位生长铜纳米颗粒
称取0.65 g CuSO4·5H2O溶于25 ml去离子水中，与称取0.6 g NaOH和1.45 gKNaC4H4O6·4H2O溶解于25 ml去离子水中，将两种液体混合溶液，再向其中加入50 ml 9.5mL·L−1的HCHO溶液，然后进行原位生长铜纳米颗粒，反应时间为2 h，并在60℃下烘干。
步骤三、硬脂酸表面修饰
称取0.1 g硬脂酸溶解于100 ml去离子水中，在高速磁力转子的搅拌的状态下形成硬脂酸乳液，持续搅拌1 h后使用。将上述制备好的PDA/rGO/Cu棉织物表面浸泡在配好的硬脂酸溶液里面，经过1 min后取出，并在75℃下烘干。
本实施例制备的一种具有超疏水导电多功能织物表面的光学图片请参阅图4。
实施例四
本实施方式按照如下步骤制备一种具有超疏水，导电多功能织物表面：
步骤一、多次浸渍法制备PDA/rGO表面
将棉布按照2×4 cm规格裁剪3块，并置于烧杯中依次经过丙酮、无水乙醇、去离子水超声30 min，超声完毕后放入烘箱60℃干燥，冷却备用。用电子天平称量0.2 g多巴胺和0.05 g高碘酸钠，溶解在100 ml Tris-HCI中，搅拌0.5 h后加入2 mg/ml 100 ml 氧化石墨烯溶液中，在磁力转子的作用下搅拌均匀，然后加入清洗干净的棉布，进行三次浸渍，每次浸渍时间为0.5 h，干燥温度为80℃，反应结束后用去离子水彻底清洗干净棉织物表面多余的反应物。
步骤二、原位生长铜纳米颗粒
称取0.65 g CuSO4·5H2O溶于25 ml去离子水中，与称取0.6 g NaOH和1.45 gKNaC4H4O6·4H2O溶解于25 ml去离子水中，将两种液体混合溶液，再向其中加入50 ml 9.5mL·L−1的HCHO溶液，然后进行原位生长铜纳米颗粒，反应时间为2 h，并在60℃下烘干。
步骤三、硬脂酸表面修饰
称取0.1 g硬脂酸溶解于100 ml去离子水中，在高速磁力转子的搅拌的状态下形成硬脂酸乳液，持续搅拌1 h后使用。将上述制备好的PDA/rGO/Cu棉织物表面浸泡在配好的硬脂酸溶液里面，经过1 min后取出，并在75℃下烘干。
本实施例制备的具有超疏水，导电多功能织物表面的形貌结构请参阅图3，图3为本实施例制备的具有超疏水导电多功能织物表面的微纳结构表面的SEM图。
本实施例制备的具有超疏水导电多功能织物表面的光学图片请参阅图4，随着GO浓度的增加，铜纳米颗粒负载量增多。
参阅图5，一种具有超疏水导电多功能织物表面制备的电阻低至0.95 Ω。
参阅图6，图6为本发明的一种具有超疏水导电多功能织物表面的接触角光学图片。接触角高达153°。
我们所制备的超疏水导电织物，在抗电磁屏蔽纺织品、传感、功能性材料等领域具有广泛发展前景。
在以上四个实施例中，通过多次浸渍法，原位生长铜纳米金属颗粒，硬脂酸修饰制备的一种具有超疏水导电多功能织物表面在不同酸碱溶液作用下具有持久的疏水性，请参阅图7，图7为本发明的一种具有超疏水导电多功能织物表面浸泡在pH=1-13的溶液里24 h后棉织物接触角变化。如图7所示，经过酸碱溶液的浸泡，样品保持了较好的疏水性，织物表面可能与酸碱溶液反应，导致棉织物疏水性能有小幅度下降。
综上所述，本发明公开了一种具有超疏水导电多功能织物表面的制备方法，本方法在现有技术基础上充分利用了多次浸渍法构建PDA/rGO棉织物，原位生长铜纳米金属颗粒与硬脂酸修饰相结合的方法，获得超疏水导电多功能表面。其反应条件温和，工艺简便易操作，高导电率，化学稳定性能优良，对环境无污染，具有良好的应用前景，能在电致液体运输、防污自清洁、抗电磁屏蔽材料、电加热、传感、油水分离材料等得以广泛应用。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种具有超疏水导电多功能织物表面的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
（1）将多巴胺溶液和氧化石墨烯溶液进行混合，在磁力转子的作用下搅拌均匀，得到混合溶液，静置待用；
（2）将清洗好的棉织物浸泡在步骤（1）的混合溶液里，进行多次浸渍烘干；
（3）将步骤（2）处理后的棉织物浸泡在化学镀铜液中进行铜纳米颗粒原位生长；
（4）将步骤（3）沉积铜的棉织物浸泡在硬脂酸乳液里，反应结束后取出烘干，即得到具有超疏水导电多功能织物表面；
所述混合溶液具体配制为：将2 mg/ml的多巴胺和0.05 g高碘酸钠溶解在三羟甲基氨基甲烷溶液中并和氧化石墨烯溶液进行混合，在磁力转子的作用下搅拌均匀，得到混合溶液；步骤（3）中化学镀铜液为：将硫酸铜，氢氧化钠，酒石酸钾钠溶解在含甲醛的水溶液中得到化学镀铜液；步骤（4）所述棉织物在硬脂酸溶液中浸泡1 min，75℃烘干。
2.根据权利要求1所述的具有超疏水导电多功能织物表面的制备方法，其特征在于：所述三羟甲基氨基甲烷溶液的体积为10-100 ml。
3.根据权利要求1所述的具有超疏水导电多功能织物表面的制备方法，其特征在于：所述氧化石墨烯的浓度为1-6 mg/ml。
4.根据权利要求1所述的具有超疏水导电多功能织物表面的制备方法，其特征在于：步骤（2）所述的单次浸渍时间为0.5 h。
5.根据权利要求1所述的具有超疏水导电多功能织物表面的制备方法，其特征在于：步骤（3）所述化学镀铜纳米颗粒的时间为1-3 h。
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