CN116120626A - 一种基于咖啡环效应介导宏观泡沫蒸发表面沉积的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于先进材料技术领域，涉及一种基于咖啡环效应介导宏观泡沫蒸发表面沉积的方法。以聚乙烯醇为媒介，以亲水性泡沫为基底，将媒介溶液在基底表面进行蒸发沉积；其中，媒介溶液中的聚乙烯醇含量不低于0.16wt％。本发明巧妙地放大并利用了咖啡环效应，提出一种简单可复制的聚乙烯醇介导蒸发干燥策略以实现选择性泡沫表面沉积，将纳米材料的组装从微观和低维水平提高到宏观三维水平，此方法制备的一系列三维“壳‑核”结构泡沫在纳米材料开发、生物传感、流体传质、环境修复等方面都有着极大的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于先进材料技术领域，涉及一种基于咖啡环效应介导宏观泡沫蒸发表面沉积的方法。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
泡沫是由大量气体微孔分散于固体中而形成的一类多孔材料，常见的泡沫有聚合物泡沫、金属泡沫、木浆泡沫和泡沫炭等。泡沫材料广泛地应用于航空航天、工程建材、石油化工、环境保护、能源运输、生物工程等技术领域，泡沫材料的改性与修饰意义重大。其中，亲水性泡沫材料由于具有三维骨架和亚毫米级孔洞，成为一种实现纳米材料三维组装的良好底衬。然而，据发明人研究发现，由于泡沫的多孔结构，使得仅在泡沫表层进行纳米材料的三维组装存在困难。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于咖啡环效应介导宏观泡沫蒸发表面沉积的方法，能够实现在泡沫表面均匀沉积分子或胶体颗粒。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为：
一方面，一种基于咖啡环效应介导宏观泡沫蒸发表面沉积的方法，以聚乙烯醇为媒介，以亲水性泡沫为基底，将媒介溶液在基底表面进行蒸发沉积；其中，媒介溶液中的聚乙烯醇含量不低于0.16wt％。
水溶液不仅会附着在亲水性泡沫的表面，而且会被亲水性泡沫吸附至内部，功能材料(纳米材料等)也会随液体进入至亲水性泡沫内，这导致仅其表层进行沉积难度极大。
咖啡环效应是一种生活中普遍存在的物理现象，即当液滴滴在固体表面时，溶质(分子或微粒)会随着溶剂不均匀挥发而发生运动并集聚在液滴边缘处，最终形成环状区域。然而，干燥含有非挥发性溶质或胶体颗粒的无柄溶液液滴时，会在固体基底上留下不均匀的图案，通常是环液滴一周的痕迹。然而，目前获得的类似咖啡环的图案尺寸只有几微米并且是在二维固体基底上实现的。另外，一般咖啡环效应的基底不具有吸水性能，因而利用咖啡环效应难以在亲水性泡沫表面沉积功能材料。
本发明经过实验发现，当采用聚乙烯醇为媒介时，亲水性泡沫浸润媒介水溶液后，经蒸发能够使聚乙烯醇及其他非挥发性溶质仅在亲水性泡沫表面沉积。此时，浸润在亲水性泡沫内的媒介溶液被视为巨大的无柄液滴，最终使非挥发性溶质选择性沉积在亲水性泡沫的表面，实现咖啡环效应的三维化和放大化，从而克服功能材料的宏观三维组装及空间分布调控的困难。
另一方面，一种改性泡沫材料，由上述方法获得。
第三方面，一种上述改性泡沫材料在生物传感、流体传质、环境修复中的应用。
本发明的有益效果为：
本发明克服了当前功能组份的宏观三维组装及空间分布调控的困难，巧妙地放大并利用了咖啡环效应，提出了一种简单有效且可控性强的聚乙烯醇介导的蒸发表面沉积策略，将纳米材料的组装从微观和低维水平提高到宏观三维水平，此方法制备的三维“壳-核”结构将在纳米材料开发、生物传感、流体传质、环境修复等方面都有着极大的应用前景。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明利用“咖啡环效应”的聚乙烯醇介导的蒸发表面沉积策略示意图。
图2是本发明方法实施例1制备的表层沉积聚乙烯醇的密胺泡沫外表面扫描电镜图。
图3是本发明方法实施例2制备的荧光材料密胺泡沫，自左向右分别为自然光下的外表面、自然光下的内截面和紫外灯下的内截面。
图4是本发明方法实施例3～9制备的表层沉积不同形貌和组份的胶体颗粒的密胺泡沫。
图5是本发明方法实施例10大面积制备的表面沉积聚吡咯的密胺泡沫。
图6是本发明方法实施例11制备的表层沉积聚吡咯的铜泡沫。
图7是本发明方法实施例12制备的Janus蒸发器用于光热脱盐应用。
图8是本发明方法对比例1制备的内外随机沉积了聚吡咯的密胺泡沫。
图9是本发明方法对比例2-4制备的随机沉积了其他典型表面活性剂和聚吡咯的密胺泡沫。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
鉴于目前方法在泡沫表层进行纳米材料的三维组装的难度较大，本发明提出了一种基于咖啡环效应介导宏观泡沫蒸发表面沉积的方法。
本发明的一种典型实施方式，提供了一种基于咖啡环效应介导宏观泡沫蒸发表面沉积的方法，以聚乙烯醇为媒介，以亲水性泡沫为基底，将聚乙烯醇和其他非挥发性溶质(功能组份等)选择性蒸发沉积在基底表面；其中，聚乙烯醇含量不低于0.16wt％。
本发明以聚乙烯醇为媒介，利用放大化和三维化咖啡环效应，实现在亲水性泡沫表面均匀沉积功能材料，避免其内部的沉积。
在一些实施例中，将聚乙烯醇加入至水中溶解完全，获得的均匀透明的聚乙烯醇溶液，即为媒介溶液。
具体地，将聚乙烯醇加入至水中，90～100℃在条件下，溶解完全。
在一些实施例中，媒介溶液中含有功能材料。具体地，所述功能材料包括罗丹明B、聚吡咯、四氧化三铁、间苯二酚树脂、羟基氧化铁、氢氧化钴、碳纳米管、氧化石墨烯等中的一种或多种。
在一些实施例中，所述亲水性泡沫为密胺泡沫、木浆泡沫、泡沫炭或金属泡沫。具体地，所述金属泡沫为泡沫铜、泡沫铝、泡沫镍或铁镍合金泡沫等。
在一些实施例中，蒸发沉积的温度为40～180℃。
在一些实施例中，蒸发沉积的方式为鼓风干燥。
更为具体地，步骤如下：
将聚乙烯醇完全溶解于100℃水中，冷却至室温，得到均匀透明的聚乙烯醇溶液；
将亲水性泡沫加入至聚乙烯醇溶液，充分浸润后进行鼓风干燥。
或者，步骤如下：
将聚乙烯醇完全溶解于100℃水中，冷却至室温，得到均匀透明的聚乙烯醇溶液，将功能材料加入至聚乙烯醇溶液中分散均匀获得功能材料/聚乙烯醇溶液；
将亲水性泡沫加入至功能材料/聚乙烯醇溶液，充分浸润后进行鼓风干燥。
本发明的另一种实施方式，提供了一种改性泡沫材料，由上述方法获得。
本发明的第三种实施方式，提供了一种上述改性泡沫材料在生物传感、流体传质、环境修复中的应用。
为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本发明的技术方案，以下将结合具体的实施例与对比例详细说明本发明的技术方案。
以下实施例中，聚乙烯醇溶液的配制方法：为聚乙烯醇完全溶解于100℃水中，冷却至室温，即得。
以下实施例中制备过程中的示意图如图1所示。
实施例1
配制10ml聚乙烯醇溶液(20mg/ml)，取清洗干燥过的密胺泡沫(2cm×2cm×2cm)浸润其中，将充分浸润后的密胺泡沫置于恒温鼓风干燥箱中70℃干燥4小时，获得外表面均匀沉积聚乙烯醇的密胺泡沫，如图2所示。
实施例2
称取10mg罗丹明B(RhB)，溶解于10ml聚乙烯醇溶液(20mg/ml)中，超声分散均匀，取清洗干燥过的密胺泡沫(2cm×2cm×2cm)浸润RhB/聚乙烯醇溶液，将充分浸润后的密胺泡沫置于恒温鼓风干燥箱中70℃干燥4小时，获得外表面均匀沉积RhB的密胺泡沫，如图3所示。
实施例3
称取5mg聚吡咯(PPy,球型,100nm)，分散于10ml聚乙烯醇溶液(20mg/ml)中，超声分散均匀，取清洗干燥过的密胺泡沫(2cm×2cm×2cm)浸润PPy/聚乙烯醇溶液，将充分浸润后的密胺泡沫置于恒温鼓风干燥箱中70℃干燥4小时，获得外表面均匀沉积PPy(PPy平均层厚约0.5cm)的密胺泡沫，如图4所示。
实施例4
取5mg四氧化三铁(Fe3O4，球型，250nm)，分散于10ml聚乙烯醇溶液(20mg/ml)中，超声分散均匀，取清洗干燥过的密胺泡沫(2cm×2cm×2cm)浸润Fe3O4/聚乙烯醇溶液，将充分浸润后的密胺泡沫置于恒温鼓风干燥箱中70℃干燥4小时，获得外表面均匀沉积磁性Fe3O4的密胺泡沫，如图4所示。
实施例5
称取5mg间苯二酚树脂(RF,球状，1μm)，分散于10ml聚乙烯醇溶液(20mg/ml)中，超声分散均匀，取清洗干燥过的密胺泡沫(2cm×2cm×2cm)浸润上述溶液，将充分浸润后的密胺泡沫置于恒温鼓风干燥箱中70℃干燥4小时，获得表层均匀沉积RF的密胺泡沫，如图4所示。
实施例6
称取5mg羟基氧化铁(FeOOH,短棒状，100nm×450nm；长棒状，150nm×2000nm)，超声分散均匀，取清洗干燥过的密胺泡沫(2cm×2cm×2cm)浸润上述溶液，将充分浸润后的密胺泡沫置于恒温鼓风干燥箱中70℃干燥4小时，获得表层均匀沉积FeOOH的密胺泡沫，如图4所示。
实施例7
称取5mg氢氧化钴(Co(OH)2，正六边形片状，400nm)，分散于10ml聚乙烯醇溶液(20mg/ml)中，超声分散均匀，取清洗干燥过的密胺泡沫(2cm×2cm×2cm)浸润上述溶液，将充分浸润后的密胺泡沫置于恒温鼓风干燥箱中70℃干燥4小时，获得表层均匀沉积Co(OH)2的密胺泡沫，如图4所示。
实施例8
称取5mg碳纳米管(CNTs,长管状)，分散于10ml聚乙烯醇溶液(20mg/ml)中，超声分散均匀，取清洗干燥过的密胺泡沫(2cm×2cm×2cm)浸润上述溶液，将充分浸润后的密胺泡沫置于恒温鼓风干燥箱中70℃干燥4小时，获得表层均匀沉积CNTs的密胺泡沫，如图4所示。
实施例9
称取2mg氧化石墨烯(GO,片状)，分散于10ml聚乙烯醇溶液(20mg/ml)中，超声分散均匀，取清洗干燥过的密胺泡沫(2cm×2cm×2cm)浸润上述溶液，将充分浸润后的密胺泡沫置于恒温鼓风干燥箱中70℃干燥4小时，获得表层均匀沉积GO的密胺泡沫，如图4所示。
实施例10
配制6wt％的聚吡咯/聚乙烯醇溶液，将清洗干燥过的密胺泡沫(50cm×30cm×0.9cm)浸润上述溶液，将浸润后的密胺泡沫置于恒温鼓风干燥箱中70℃干燥12小时，获得表层均匀沉积聚吡咯的大面积密胺泡沫，如图5所示。
实施例11
配制6wt％的聚吡咯/聚乙烯醇溶液，将不同孔径(PPI＝80,60)的泡沫铜(2cm×2cm×2cm)依次用盐酸(1M)、乙醇、超纯水清洗并干燥后，浸润上述6wt％的聚吡咯/聚乙烯醇溶液，置于恒温鼓风干燥箱中80℃干燥5小时，获得表层均匀沉积PPy的泡沫铜，如图6所示。
实施例12
配制6wt％的聚吡咯/聚乙烯醇溶液，将不同孔径(PPI＝80,60)的泡沫镍(2cm×2cm×2cm)依次用盐酸(1M)、乙醇、超纯水清洗并干燥后，浸润上述6wt％的聚吡咯/聚乙烯醇溶液，置于恒温鼓风干燥箱中80℃干燥5小时，获得表层均匀沉积PPy的泡沫镍。
实施例13
取表面沉积PPy的密胺泡沫(6cm×3cm×2cm)浸泡在含有戊二醛(0.1M)和HCl(1M)的乙醇溶液中12小时。用水清洗至pH＝7后，70℃烘干。将干燥的泡沫对半切开，得到Janus光热蒸发器。将所得的Janus太阳能蒸发器用于模拟海水蒸发，析出的盐选择性地聚集蒸发器边缘，蒸发器上下表面保持清洁，堆积的盐分在蒸发过程中脱落后可直接收集，在没有辐照的情况下可以在淡水中蒸发或再溶解，如图7所示。
实施例14
称取2.5mg四氧化三铁和2.5mg氢氧化钴，分散于10ml聚乙烯醇溶液(20mg/ml)中，超声分散均匀，取清洗干燥过的密胺泡沫(2cm×2cm×2cm)浸润上述溶液，将充分浸润后的密胺泡沫置于恒温鼓风干燥箱中70℃干燥4小时，获得表层均匀沉积四氧化三铁和氢氧化钴二元组分的密胺泡沫。
对比例1
称取5mg聚吡咯(PPy,球型,100nm)，超声分散均匀，取清洗干燥过的密胺泡沫(2cm×2cm×2cm)浸润PPy溶液，将充分浸润后的密胺泡沫置于恒温鼓风干燥箱中70℃干燥4小时，仅获得内外表面随机沉积PPy的密胺泡沫，如图8所示。
对比例2
称取5mg聚吡咯(PPy,球型,100nm)，分散于10ml聚乙二醇溶液(PEG,20mg/ml)中，超声分散均匀，取清洗干燥过的密胺泡沫(2cm×2cm×2cm)浸润PPy溶液，将充分浸润后的密胺泡沫置于恒温鼓风干燥箱中70℃干燥4小时，仅获得内外表面随机沉积PPy的密胺泡沫，如图9所示。
对比例3
称取5mg聚吡咯(PPy,球型,100nm)，分散于10ml聚丙烯酸溶液(PAA,20mg/ml)中，超声分散均匀，取清洗干燥过的密胺泡沫(2cm×2cm×2cm)浸润PPy溶液，将充分浸润后的密胺泡沫置于恒温鼓风干燥箱中70℃干燥4小时，仅获得内外表面随机沉积PPy的密胺泡沫，如图9所示。
对比例4
称取5mg聚吡咯(PPy,球型,100nm)，分散于10ml聚乙烯吡咯烷酮溶液(PVP,20mg/ml)中，超声分散均匀，取清洗干燥过的密胺泡沫(2cm×2cm×2cm)浸润PPy溶液，将充分浸润后的密胺泡沫置于恒温鼓风干燥箱中70℃干燥4小时，仅获得内外表面随机沉积PPy的密胺泡沫，如图9所示。
对比例1～4表明，直接添加功能材料(聚吡咯)时，功能材料难以仅在亲水性泡沫表面沉积，而添加与聚乙烯醇类似的表面活性剂(聚乙二醇、聚丙烯酸、聚乙烯吡咯烷酮等)和功能材料(聚吡咯)时，也难以使功能材料仅在亲水性泡沫表面沉积。通过本发明实施例和对比例的对比可以表明，当采用聚乙烯醇时，能够利用咖啡环效应仅在亲水性泡沫表面沉积功能材料。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于咖啡环效应介导宏观泡沫蒸发表面沉积的方法，其特征是，以聚乙烯醇为媒介，以亲水性泡沫为基底，将媒介溶液在基底表面进行蒸发沉积；其中，媒介溶液中的聚乙烯醇含量不低于0.16wt％。
2.如权利要求1所述的基于咖啡环效应介导宏观泡沫蒸发表面沉积的方法，其特征是，将聚乙烯醇加入至水中溶解完全，获得的均匀透明的聚乙烯醇溶液，即为媒介溶液。
3.如权利要求2所述的基于咖啡环效应介导宏观泡沫蒸发表面沉积的方法，其特征是，将聚乙烯醇加入至水中，90～100℃在条件下，溶解完全。
4.如权利要求1所述的基于咖啡环效应介导宏观泡沫蒸发表面沉积的方法，其特征是，媒介溶液中含有功能材料；优选地，所述功能材料包括罗丹明B、聚吡咯、四氧化三铁、间苯二酚树脂、羟基氧化铁、氢氧化钴、碳纳米管、氧化石墨烯等中的一种或多种。
5.如权利要求1所述的基于咖啡环效应介导宏观泡沫蒸发表面沉积的方法，其特征是，所述亲水性泡沫为密胺泡沫、木浆泡沫、泡沫炭或金属泡沫；优选地，所述金属泡沫为泡沫铜、泡沫铝、泡沫镍或铁镍合金泡沫等。
6.如权利要求1所述的基于咖啡环效应介导宏观泡沫蒸发表面沉积的方法，其特征是，蒸发沉积的温度为40～180℃。
7.如权利要求1所述的基于咖啡环效应介导宏观泡沫蒸发表面沉积的方法，其特征是，蒸发沉积的方式为鼓风干燥。
8.如权利要求1所述的基于咖啡环效应介导宏观泡沫蒸发表面沉积的方法，其特征是步骤如下：
将聚乙烯醇完全溶解于100℃水中，冷却至室温，得到均匀透明的聚乙烯醇溶液；
将亲水性泡沫加入至聚乙烯醇溶液，充分浸润后进行鼓风干燥；
或者，步骤如下：
将聚乙烯醇完全溶解于100℃水中，冷却至室温，得到均匀透明的聚乙烯醇溶液，将功能材料加入至聚乙烯醇溶液中分散均匀获得功能材料/聚乙烯醇溶液；
将亲水性泡沫加入至功能材料/聚乙烯醇溶液，充分浸润后进行鼓风干燥。
9.一种改性泡沫材料，其特征是，由权利要求1～8任一所述的方法获得。
10.一种权利要求9所述的改性泡沫材料在生物传感、流体传质、环境修复中的应用。
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|---|---|
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