CN113073373A - 一种具有广泛适用性的电泳沉积添加剂及沉积方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有广泛适用性的电泳沉积添加剂及沉积方法，属于涂层制备技术领域，S1.将阴、阳电极板经过打磨、洗涤前处理后置于真空干燥箱烘干待用；S2.将纳米粒子加入到乙醇中，并同时加入适量的Nafion 21和氢氧化钠，超声分散后形成稳定的悬浮液；S3.固定阴、阳电极板，垂直插入分散均匀的悬浮液中，进行电泳沉积，外加直流电场为10‑200V/cm，1～30分钟后，在阳极板上得到沉积膜；S4.将电泳沉积得到的沉积膜干燥即可。本发明解决了当前电泳沉积技术领域缺乏通用性添加剂方案的难题，可省略在针对特定添加剂探索合适添加剂所消耗的人力、物力、财力以及时间，为电泳沉积多种类纳米粒子提供一种普适性策略。

Description

一种具有广泛适用性的电泳沉积添加剂及沉积方法
技术领域
本发明属于涂层制备技术领域，具体涉及一种具有广泛适用性的电泳沉积添加剂及沉积方法。
背景技术
涂层技术在材料设计和生产的许多领域都有广泛的应用。常见的涂层技术包括磁控溅射法、电子束喷蒸法、热蒸法、电纺法和涂抹法等。除此之外，电泳沉积技术也是一种常见的涂层制备技术，相较于上述技术，其具备沉积速度快、设备简单、操作方便、成本低廉等优势。同时，电泳沉积技术适用于在各种复杂形状的基底上沉积制膜的优势，能够满足制备各种形状、大小的负载基底的要求。这些明显的优势，使得利用电泳沉积技术制备各种涂层具有巨大的应用前景。
电泳沉积的原理：电泳沉积是在外加电场下，悬浮液的粒子由于带有一定量电荷，将发生定向电泳迁移运动，并最终沉积到电极上堆积成膜的过程。在制备薄膜材料领域，电泳沉积法是一种应用非常普遍的技术，其所适用的领域包括了各种不同的材料。常见的有金属氧化物、碳化物、金属单质的纳米涂层等。
成功实现电泳沉积的关键在于粒子表面带有电荷，并形成稳定的悬浮液。当在悬浮液中施加电场，如果粒子在悬浮液中带正电荷，在电场力作用下，粒子将向阴极电泳迁移并发生沉积，这类电泳沉积称为“阴极电泳沉积”；而悬浮液中带负电荷的粒子在电场力的作用下向阳极电泳迁移并发生沉积，这类也称为“阳极电泳沉积”。
通过加入添加剂，使粒子表面吸附更多的电荷，可以改善悬浮液的稳定性和粒子的电泳沉积行为。因此，在研究利用特定粒子通过电泳沉积法制备涂层时，选择合适的溶剂和添加剂作为分散介质，是改善悬浮液的稳定性，成功实现电泳沉积或提高涂层沉积速度的有效手段。
一般来说，溶剂可以分为水溶剂和有机溶剂。水作为溶剂时，由于过高的沉积电压也可能导致水的电解反应，一方面会产生氢气泡或氧气泡导致制备的涂层出现很多空包和空隙，影响涂层质量，另一方面则会限制高沉积电压的使用，从而导致沉积速率偏低。而使用有机溶剂时，则可以很好地规避这些缺陷，因此，有机溶剂在电泳沉积中成为主流的选择。
无论是选择水作为溶剂还是有机溶剂来实现电泳沉积时，都面临的核心问题，即添加剂的选择。电泳沉积法虽然已能适用于制备各种不同的涂层，但对于不同粒子的电泳沉积所需的添加剂往往不同，这使得电泳沉积法制备不同的涂层都变成一个新的探索工作。已报道的研究工作往往是对一种纳米粒子的电泳沉积提出一种溶剂+添加剂的组合，而这些溶剂+添加剂的组合对于其它纳米粒子的电泳沉积可能并不具有通用性。这使得电泳沉积不同的纳米粒子，往往会在获取溶剂+添加剂方案时耗费大量的工作。另一方面，不同的有机溶剂的选择，也可能面临成本高昂、有毒性等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有广泛适用性的电泳沉积添加剂及沉积方法，解决现有技术中的电泳沉积法制备涂层时，对每种纳米粒子的电泳沉积往往都要单独开展添加剂筛选工作的技术问题。
本发明提供了一种具有广泛适用性的电泳沉积添加剂及沉积方法，包括以下步骤：
S1.将阴、阳电极板经过打磨、洗涤前处理后置于真空干燥箱烘干待用；
S2.将纳米粒子加入到乙醇中，并同时加入适量的Nafion 21和氢氧化钠，超声分散后形成稳定的悬浮液；
S3.固定阴、阳电极板，垂直插入分散均匀的悬浮液中，进行电泳沉积，外加电场为10-200V/cm，1～30分钟后，在阳极板上得到沉积膜；
S4.将电泳沉积得到的沉积膜干燥即可。
工作原理：利用本发明的添加剂方案实现阴极电泳沉积，将纳米粒子分散于以乙醇为溶剂、硝酸盐+Nafion为添加剂的有机溶液中，形成悬浮液，再插入导电的材料，施加恒压电源，利用电泳沉积法可实现纳米粒子在阳极的电泳沉积。
进一步的，使用硝酸盐代替步骤S2中所述氢氧化钠，此时可实现纳米粒子在阴极的电泳沉积。
进一步的，所述的纳米粒子为金属纳米粒子(如Ni,Al,Bi)、金属氧化物纳米粒子(Fe2O3,Co3O4,Cr2O3)、碳化物(B4C)、碳材料(活性炭AC，石墨烯GS，多层碳纳米管MWCNTs)、金属有机骨架材料(zeolitic imidazolate framework-67(ZIF-67)and ZIF-8)或有机聚合物(聚四氟乙烯PTFE)中的任意一种。
进一步的，步骤S1中所述阴、阳电极板材质为任何不与添加剂发生化学反应的导电材料。
进一步的，其中步骤S2中所述纳米粒子的浓度为0.1～50g/L；Nafion 21规格质量分数为5％，以异丙醇为溶剂；氢氧化钠浓度为0.01mM～10mM；Nafion21的浓度为0.01g/L～10g/L。
一种具有广泛适用性的电泳沉积添加剂，包括乙醇、Nafion 21和氢氧化钠，用于阳极沉积。
一种具有广泛适用性的电泳沉积添加剂，包括乙醇、Nafion 21和硝酸盐，用于阴极沉积。
本发明的有益效果为：
1.以乙醇为溶剂的两类添加剂方案，可调控多种纳米粒子实现阳极电泳沉积和阴极电泳沉积；
2.本发明解决了当前电泳沉积技术领域缺乏通用性添加剂方案的难题，可省略在针对特定添加剂探索合适添加剂所消耗的人力、物力、财力以及时间，为电泳沉积多种类纳米粒子提供一种普适性策略；
3.本添加剂方案在多种纳米粒子的电泳沉积中能获得较快的沉积速度，成膜形貌光滑平整，可广泛应用于多种涂层材料的电泳沉积制备，市场应用前景好；
4.添加剂方案对多种纳米粒子都具有良好的效果，因此可以利用这种添加剂同时沉积多种纳米粒子，制备出一系列排列组合的多组分复合涂层。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施方式，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，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相关的附图。
图1为本发明添加剂在阳极电泳沉积制备的涂层结果图。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。通常在此处附图中描述和展示的本发明实施方式的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，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方式，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
一种具有广泛适用性的电泳沉积添加剂及沉积方法，(金属纳米粒子的阳极沉积，Ni,Al,Bi)：
以钛片为阳极和阴极基底，将阴、阳电极板经过打磨、洗涤前处理后置于真空干燥箱烘干待用；将1g/L的纳米Ni(也可以是Al,Bi)加入到乙醇中，并同时加入0.1mM NaOH+0.1g/L Nafion，超声振荡30分钟分散后形成稳定的悬浮液；固定阴、阳电极板，垂直插入分散均匀的悬浮液中，进行电泳沉积，外加直流电场为50V/cm，10分钟后，在阳极板上获得沉积涂层；将电泳沉积得到的涂层在真空干燥箱中333K烘干60分钟，即得到光滑平整的纳米Ni(或Al,Bi)涂层。
实施例2
本实施方式作为本发明的一较佳实施例，金属纳米粒子的阴极沉积，Ni,Al,Bi：
以钛片为阳极和阴极基底，将阴、阳电极板经过打磨、洗涤前处理后置于真空干燥箱烘干待用；将1g/L的纳米Ni(也可以是Al,Bi)加入到乙醇中，并同时加入0.05g/LMg(NO3)2(也可以是相同浓度的Ni(NO3)2或Co(NO3)2)+0.1g/L Nafion，超声振荡30分钟分散后形成稳定的悬浮液；固定阴、阳电极板，垂直插入分散均匀的悬浮液中，进行电泳沉积，外加电场为50V/cm，10分钟后，在阴极板上获得沉积涂层；将电泳沉积得到的涂层在真空干燥箱中333K烘干60分钟，即得到光滑平整的纳米Ni(或Al,Bi)涂层。
实施例3
本实施方式作为本发明的一较佳实施例，金属氧化物纳米粒子的阳极沉积，Fe2O3,Co3O4,Cr2O3：
以钛片为阳极和阴极基底，将阴、阳电极板经过打磨、洗涤前处理后置于真空干燥箱烘干待用；将1g/L的纳米Fe2O3(也可以是Co3O4,Cr2O3)加入到乙醇中，并同时加入0.1mMNaOH+0.1g/LNafion，超声振荡30分钟分散后形成稳定的悬浮液；固定阴、阳电极板，垂直插入分散均匀的悬浮液中，进行电泳沉积，外加电场为50V/cm，10分钟后，在阳极板上获得沉积涂层；将电泳沉积得到的涂层在真空干燥箱中333K烘干60分钟，即得到光滑平整的纳米Fe2O3(或Co3O4,Cr2O3)涂层。
实施例4
本实施方式作为本发明的一较佳实施例，金属氧化物纳米粒子的阴极沉积，Fe2O3,Co3O4,Cr2O3：
以钛片为阳极和阴极基底，将阴、阳电极板经过打磨、洗涤前处理后置于真空干燥箱烘干待用；将1g/L的纳米Fe2O3(也可以是Co3O4,Cr2O3)加入到乙醇中，并同时加入适量的0.05g/LMg(NO3)2(也可以是相同浓度的Ni(NO3)2或Co(NO3)2)+0.1g/L Nafion，超声振荡30分钟分散后形成稳定的悬浮液；固定阴、阳电极板，垂直插入分散均匀的悬浮液中，进行电泳沉积，外加电场为50V/cm，10分钟后，在阴极板上获得沉积涂层；将电泳沉积得到的涂层在真空干燥箱中333K烘干60分钟，即得到光滑平整的纳米Fe2O3(或Co3O4,Cr2O3)涂层。
实施例5
本实施方式作为本发明的一较佳实施例，碳化物纳米粒子的阳极沉积，B4C：
以钛片为阳极和阴极基底，将阴、阳电极板经过打磨、洗涤前处理后置于真空干燥箱烘干待用；将1g/L的纳米B4C加入到乙醇中，并同时加入0.1mM NaOH+0.1g/L Nafion，超声振荡30分钟分散后形成稳定的悬浮液；固定阴、阳电极板，垂直插入分散均匀的悬浮液中，进行电泳沉积，外加电场为50V/cm，10分钟后，在阳极板上获得沉积涂层；将电泳沉积得到的涂层在真空干燥箱中333K烘干60分钟，即得到光滑平整的纳米B4C涂层。
实施例6
本实施方式作为本发明的一较佳实施例，碳化物纳米粒子的阴极沉积，B4C：
以钛片为阳极和阴极基底，将阴、阳电极板经过打磨、洗涤前处理后置于真空干燥箱烘干待用；将1g/L的纳米B4C加入到乙醇中，并同时加入适量的0.05g/LMg(NO3)2(也可以是相同浓度的Ni(NO3)2或Co(NO3)2)+0.1g/L Nafion，超声振荡30分钟分散后形成稳定的悬浮液；固定阴、阳电极板，垂直插入分散均匀的悬浮液中，进行电泳沉积，外加电场为50V/cm，10分钟后，在阴极板上获得沉积涂层；将电泳沉积得到的涂层在真空干燥箱中333K烘干60分钟，即得到光滑平整的纳米B4C涂层。
实施例7
本实施方式作为本发明的一较佳实施例，碳材料纳米粒子的阳极沉积，AC,GS,MWCNTs：
以钛片为阳极和阴极基底，将阴、阳电极板经过打磨、洗涤前处理后置于真空干燥箱烘干待用；将1g/L的AC(也可以是GS,MWCNTs)加入到乙醇中，并同时加入0.1mM NaOH+0.1g/L Nafion，超声振荡30分钟分散后形成稳定的悬浮液；固定阴、阳电极板，垂直插入分散均匀的悬浮液中，进行电泳沉积，外加电场为50V/cm，10分钟后，在阳极板上获得沉积涂层；将电泳沉积得到的涂层在真空干燥箱中333K烘干60分钟，即得到光滑平整的纳米AC(或GS,MWCNTs)涂层。
实施例8
本实施方式作为本发明的一较佳实施例，碳材料纳米粒子的阴极沉积，Fe2O3,Co3O4,Cr2O3：
以钛片为阳极和阴极基底，将阴、阳电极板经过打磨、洗涤前处理后置于真空干燥箱烘干待用；将1g/L的纳米AC(也可以是GS,MWCNTs)加入到乙醇中，并同时加入适量的0.05g/L Mg(NO3)2(也可以是相同浓度的Ni(NO3)2或Co(NO3)2)+0.1g/L Nafion，超声振荡30分钟分散后形成稳定的悬浮液；固定阴、阳电极板，垂直插入分散均匀的悬浮液中，进行电泳沉积，外加电场为50V/cm，10分钟后，在阴极板上获得沉积涂层；将电泳沉积得到的涂层在真空干燥箱中333K烘干60分钟，即得到光滑平整的纳米AC(或GS,MWCNTs)涂层。
实施例9
本实施方式作为本发明的一较佳实施例，金属有机骨架材料纳米粒子的阳极沉积，ZIF-8,ZIF-67：
以钛片为阳极和阴极基底，将阴、阳电极板经过打磨、洗涤前处理后置于真空干燥箱烘干待用；将1g/L的ZIF-8(也可以是ZIF-67)加入到乙醇中，并同时加入0.1mM NaOH+0.1g/L Nafion，超声振荡30分钟分散后形成稳定的悬浮液；固定阴、阳电极板，垂直插入分散均匀的悬浮液中，进行电泳沉积，外加电场为50V/cm，10分钟后，在阳极板上获得沉积涂层；将电泳沉积得到的涂层在真空干燥箱中333K烘干60分钟，即得到光滑平整的纳米AC(或ZIF-67)涂层。
实施例10
本实施方式作为本发明的一较佳实施例，金属有机骨架材料纳米粒子的阴极沉积，ZIF-8,ZIF-67：
以钛片为阳极和阴极基底，将阴、阳电极板经过打磨、洗涤前处理后置于真空干燥箱烘干待用；将1g/L的纳米AC(也可以是ZIF-67)加入到乙醇中，并同时加入适量的0.05g/LMg(NO3)2(也可以是相同浓度的Ni(NO3)2或Co(NO3)2)+0.1g/L Nafion，超声振荡30分钟分散后形成稳定的悬浮液；固定阴、阳电极板，垂直插入分散均匀的悬浮液中，进行电泳沉积，外加电场为50V/cm，10分钟后，在阴极板上获得沉积涂层；将电泳沉积得到的涂层在真空干燥箱中333K烘干60分钟，即得到光滑平整的纳米AC(或ZIF-67)涂层。
实施例11
本实施方式作为本发明的一较佳实施例，有机聚合物纳米粒子的阳极沉积，PTFE：
以钛片为阳极和阴极基底，将阴、阳电极板经过打磨、洗涤前处理后置于真空干燥箱烘干待用；将1g/L的纳米PTFE加入到乙醇中，并同时加入0.1mM NaOH+0.1g/L Nafion，超声振荡30分钟分散后形成稳定的悬浮液；固定阴、阳电极板，垂直插入分散均匀的悬浮液中，进行电泳沉积，外加电场为50V/cm，10分钟后，在阳极板上获得沉积涂层；将电泳沉积得到的涂层在真空干燥箱中333K烘干60分钟，即得到光滑平整的纳米PTFE涂层。
实施例12
本实施方式作为本发明的一较佳实施例，有机聚合物纳米粒子的阳极沉积，PTFE：
以钛片为阳极和阴极基底，将阴、阳电极板经过打磨、洗涤前处理后置于真空干燥箱烘干待用；将1g/L的纳米PTFE加入到乙醇中，并同时加入适量的0.05g/L Mg(NO3)2(也可以是相同浓度的Ni(NO3)2或Co(NO3)2)+0.1g/L Nafion，超声振荡30分钟分散后形成稳定的悬浮液；固定阴、阳电极板，垂直插入分散均匀的悬浮液中，进行电泳沉积，外加电场为50V/cm，10分钟后，在阴极板上获得沉积涂层；将电泳沉积得到的涂层在真空干燥箱中333K烘干60分钟，即得到光滑平整的纳米PTFE涂层。
本发明不局限于上述可选实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是落入本发明权利要求界定范围内的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种具有广泛适用性的电泳沉积添加剂沉积方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.将阴、阳电极板经过打磨、洗涤前处理后置于真空干燥箱烘干待用；
S2.将纳米粒子加入到乙醇中，并同时加入适量的Nafion 21和氢氧化钠，超声分散后形成稳定的悬浮液；
S3.固定阴、阳电极板，垂直插入分散均匀的悬浮液中，进行电泳沉积，外加电场为10-200V/cm，1～30分钟后，在阳极板上得到沉积膜；
S4.将电泳沉积得到的沉积膜干燥即可。
2.根据权利要求1所述的一种具有广泛适用性的电泳沉积添加剂沉积方法，其特征在于，使用硝酸盐代替步骤S2中所述氢氧化钠。
3.根据权利要求1所述的一种具有广泛适用性的电泳沉积添加剂沉积方法，其特征在于，所述的纳米粒子为金属纳米粒子、金属氧化物纳米粒子、碳化物、碳材料、金属有机骨架材料或有机聚合物中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的一种具有广泛适用性的电泳沉积添加剂沉积方法，其特征在于，步骤S1中所述阴、阳电极板材质为任何不与添加剂发生化学反应的导电材料。
5.根据权利要求1所述的一种具有广泛适用性的电泳沉积添加剂沉积方法，其特征在于，其中步骤S2中所述纳米粒子的浓度为0.1～50g/L；Nafion 21规格质量分数为5％，以异丙醇为溶剂；氢氧化钠浓度为0.01mM～10mM；Nafion21的浓度为0.01g/L～10g/L。
6.一种具有广泛适用性的电泳沉积添加剂，其特征在于，包括乙醇、Nafion21和氢氧化钠。
7.一种具有广泛适用性的电泳沉积添加剂，其特征在于，包括乙醇、Nafion21和硝酸盐。
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