专利名称：烧结植物叶片制备碳/氧化锌超疏水陶瓷的方法
烧结植物叶片制备碳/氧化锌超疏水陶瓷的方法技术领域
本发明属于一种制备碳/氧化锌超疏水陶瓷的方法，特别是一种利用烧结疏水性植物叶片制备碳/氧化锌超疏水陶瓷的方法。
背景技术：
生产生活中，很多器部件常年暴露在多尘、多水、多污染的环境中，粘上灰尘、水气或杂质后较难清理，并会影响器部件功能的发挥，因此人们也希望这些器部件具有超疏水性(与水的接触角大于150度)，从而实现自清洁功能。自然界中很多植物的叶片具有超疏水能力，如荷叶、水稻叶、花生叶、棕叶、甘蓝、芋头叶、翠菊叶等。细看这些叶片，其表面并不光滑，有很多精细的微纳米凸起。当雨水落在这些叶片上，雨水只与凸起尖端点接触，表面黏附作用力很弱。因此水在表面张力作用下可凝成水珠，并能在叶片表面随意滚动。而灰尘与叶片也为点接触，表面黏附作用力小，很容易被水珠带走。荷叶等叶片正是利用这种微纳米凸起构造实现了超疏水性，从而起到自清洁功效。目前人们通常模仿植物叶片的构造，在低表面能物质上加工出粗糙表面，或先在器部件上加工出粗糙表面，并用低表面能物质修饰粗糙表面，从而使其具有超疏水能力。如今人们已利用溶胶-凝胶法、水热法、 阳极氧化法、等离子体处理、相分离法、模板挤压法、电化学沉积法等制备出多种粗糙构造的碳、氧化锌、氧化硅、氧化钛等超疏水材料。这些材料可用于高楼大厦室外玻璃、汽车玻璃、输油管道、下水管、太阳能电池板、室外天线、血液相容性生物材料、船舶壳体、燃料电池等。然而，这些粗糙构造的获得仍然通过纯粹的人工模仿，人们即使采用目前最高水准的技术和仪器，还是难以仿制出荷叶等经亿万年优化的精细构造，这也限制了材料疏水性能的进一步提高。近来，人们还通过平版印刷法(或称纳米浇铸法)复制植物叶片构造来获得超疏水表面，即利用植物叶片作为母版，先在叶片上涂附二甲基硅氧烷或金属镍，除去叶片后获得凸凹相反结构的阴模；再将阴模压印于流体聚合物上，或在阴模上浇铸流体聚合物，待聚合物固化后移去阴模即可得到与叶片结构相仿的超疏水聚合物表面，详情参看 Artificial lotus leaf by nanocasting, Langmuirj 2005，21，8978-8981 ；Seung-Mo Lej Tai Hun Kwonj Mass-producible replication of highly hydrophobic surfaces from plant leaves, Nanotechnology, 2006， 17， 3189 ；Bin Liuj Yin Fan, Yaning He， Xiaogong Wang, Fabricating Super-Hydrophobic Lotus-Leaf-Like Surfaces through Soft-Lithographic Imprinting, Macromolecular Rapid Communications, 2006， 27， 1859。由于平版印刷法需经过两次复制翻版才可获得具有叶片构造的表面，其表面构造在多次复制过程中易变形，保真程度不高。叶片中一些错综复杂的结构也难以通过印刷手段复制。并且翻版法需要可流动、可固化的物质进行填模翻版，所以该法只能获得聚合物的超疏水材料，却难以获得陶瓷超疏水材料。本发明利用荷叶、水稻叶、粽叶等超疏水性植物叶片作为模板，通过非氧化气氛保护烧结的方法可获得高保真的叶片构造的碳素陶瓷，再经硝酸锌溶液浸溃处理，通过非氧化性气氛保护烧结，并用低表面能物质加以修饰，制得碳/ 氧化锌超疏水陶瓷发明内容
本发明的目的在于提供一种高程度借鉴自然、制成品性能优良的制备碳/氧化锌超疏水材料的方法。
实现本发明目的的技术解决方案为一种用烧结超疏水性植物叶片制备碳/氧化锌超疏水材料的方法，步骤如下(O以超疏水性植物叶片为原料，将其干燥；(2)将干燥后的植物叶片置于非氧化性气氛保护烧结炉中烧结，烧结温度为大于400 °C，升温速率低于3 V /min，制得具有植物叶片微观构造的碳素陶瓷；(3)将碳素陶瓷在硝酸锌溶液中浸溃，溶液浓度大于O.5% ；(4)将浸溃后的碳素陶瓷取出干燥；(5)将干燥后的碳素陶瓷放在非氧化性气氛保护烧结炉中烧结，烧结温度为大于100 V，获得具有叶片构造的碳/氧化锌陶瓷；(6)将碳/氧化锌陶瓷放入异丙醇和氟硅烷混合液中浸泡大于3天；(7)将浸泡后的碳/氧化锌陶瓷取出干燥，便制得具有植物叶片微观构造的碳/氧化锌超疏水陶瓷。
步骤I中所述的干燥采用空气自然干燥或烘箱中烘烤干燥，所述的烘烤温度为 70 120°C，所述的烘烤干燥时间为24 72小时；所述的超疏水性植物叶片优选荷叶、水稻叶或粽叶。
步骤2中所述的非氧化性气氛为氩气或氮气；所述的烧结温度优选500-800°C，升温速率优选I 2 °C /min。
步骤3中所述的硝酸锌溶液浓度优选I 5%，浸溃时间为2 5分钟。
步骤5中所述的非氧化性气氛为氩气或氮气；所述的烧结温度优选150-650°C。
步骤6中所述的异丙醇和氟硅烷混合液中氟硅烷占10% 20%体积分数，所述的浸泡时间优选6 10天。
本发明的原理为本发明利用超疏水性植物叶片为模板，将其在非氧化性气氛中烧结。烧结时叶片中的有机物发生分解，氧、氢、氮和部分碳转变为气体挥发，而其中的绝大部分碳元素则保留下来，并且叶片表面的微纳米凸起构造在烧结过程中也被保留下来，从而形成具有植物叶片微观构造的碳素陶瓷。这种碳素陶瓷经硝酸锌溶液浸溃、取出干燥后， 会在碳素陶瓷表面形成硝酸锌覆盖层。将其烧结时，硝酸锌分解，并在碳素陶瓷表面形成氧化锌薄层，从而形成具有植物叶片构造的碳/氧化锌陶瓷。该陶瓷在低表面能的氟硅烷溶液中浸泡过程中，氟硅烷通过水解和缩聚在碳/氧化锌陶瓷表面形成极薄的覆盖层。当水落在这种碳/氧化锌陶瓷上，微纳米凸起间隙中的空气会被锁定，水与碳/氧化锌陶瓷之间形成一层极薄的空气层，这样水只与凸起尖端点接触，表面黏附作用力很弱。因此水在表面张力作用下可凝成水珠，并能在叶片表面随意滚动，从而实现超疏水性。
本发明与现有技术相比，其显著优点所制备的氧化锌超疏水陶瓷遗留植物叶片的微观构造，高程度的借鉴自然，具有优异的超疏水性能。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
图I是本发明实施例I中利用烧结荷叶制得的碳/氧化锌陶瓷的XRD图谱。
图2是本发明实施例I中利用烧结荷叶制得的碳/氧化锌陶瓷的微观构造图。
图3是本发明实施例I中利用烧结荷叶制得的碳/氧化锌超疏水陶瓷的接触角图。
图4是本发明实施例2中利用烧结粽叶制得的碳/氧化锌超疏水陶瓷的接触角图。
图5是本发明实施例3中利用烧结水稻叶制得的碳/氧化锌超疏水陶瓷的接触角图。
具体实施方式
用植物叶片制备碳/氧化锌超疏水陶瓷的方法，其步骤如下(1)将荷叶、粽叶或水稻叶超疏水性植物叶片在烘箱中烘烤干燥，烘烤温度为70 120 °C，干燥时间为24 72小时；(2)将干燥后的植物叶片置于氩气或氮气等非氧化性气氛烧结炉中烧结，制得具有植物叶片微观构造的碳素陶瓷，烧结温度为500 800 °C，升温速率为I 2 °C /min ；(3)将碳素陶瓷在硝酸锌溶液中浸溃，其浓度为I 5%，浸溃时间为2 5分钟；(4)将浸溃后的碳素陶瓷取出干燥；(5)将干燥后的碳素陶瓷置于氩气或氮气等非氧化性气氛保护烧结炉中烧结，烧结温度为150-650°C，获得具有叶片构造的碳/氧化锌陶瓷；(6)将碳/氧化锌陶瓷放入异丙醇和氟硅烷混合液中浸泡，其体积分数为10% 20%，浸泡时间为6 10天；(7)将浸泡后的碳/氧化锌陶瓷取出干燥，便制得具有植物叶片微观构造的碳/氧化锌超疏水陶瓷。
实施例I将荷叶置于100 1烘箱中烘烤干燥48小时后，置于氩气气氛炉中以2 °C/分钟的升温速率加热至200 °C，再以I °C /分钟的升温速率加热至800 °C，制得具有荷叶微观构造的碳素陶瓷；再将该碳素陶瓷在浓度为I %的Zn (NO3)2溶液中浸溃2分钟；将浸溃后的碳素陶瓷取出干燥；将干燥后的碳素陶瓷在氩气气氛炉中以:TC/min的升温速率烧结至150°C， 获得具有荷叶微观构造的碳/氧化锌陶瓷；图I所示为制得陶瓷的X衍射图谱，从衍射峰可知该材料包含碳和氧化锌。图2所示为制得的碳/氧化锌陶瓷微观构造的扫描电镜照片， 可见该陶瓷很好地遗留了荷叶表面微纳米凸起的微观构造，该构造对于氧化锌陶瓷材料具有超疏水性能起到关键作用。再将碳/氧化锌陶瓷在体积比浓度为20%的氟硅烷异丙醇溶液中浸泡6天后取出晾干，即制得具有荷叶微观构造的碳/氧化锌超疏水陶瓷。当水落在这种碳/氧化锌陶瓷上，微纳米凸起间隙中的空气会被锁定，水与碳/氧化锌陶瓷之间形成一薄层空气膜，这样水只与凸起尖端点接触，表面黏附作用力很弱。因此水在表面张力作用下可凝成水珠，从而实现超疏水性。图3所示为制得的碳/氧化锌超疏水陶瓷与水的接触角，θ ΛΛ =160 ，达到超疏水性。
实施例2将粽叶置于120 1烘箱中烘烤干燥24小时后，置于氮气气氛炉中以2 °C/分钟的升温速率加热至600 °C，制得具有粽叶微观构造的碳素陶瓷；再将该碳素陶瓷在浓度为3% 的Zn(NO3)2溶液中浸溃5分钟；将浸溃后的碳素陶瓷取出干燥；将干燥后的碳素陶瓷放在氮气气氛炉中以:TC /min的升温速率烧结至400°C，获得具有粽叶微观构造的碳/氧化锌陶瓷；将碳/氧化锌陶瓷在体积比浓度为15%的氟硅烷异丙醇溶液中浸泡10天后取出晾干，即制得具有粽叶微观构造的碳/氧化锌超疏水陶瓷，图4所示为制得的碳/氧化锌超疏水陶瓷与水的接触角，Θ接触角=162 ，达到超疏水性。
实施例3将水稻叶置于70 1烘箱中烘烤干燥72小时后，置于氩气气氛炉中以I °C/分钟的升温速率加热至500 °C，制得具有水稻叶微观构造的碳素陶瓷；再将该碳素陶瓷在浓度为 5%的Zn(NO3)2溶液中浸溃3分钟；将浸溃后的碳素陶瓷取出干燥；将干燥后的植物叶片放在氩气气氛炉中以:TC /min的升温速率烧结至650°C，获得具有水稻叶微观构造的碳/氧化锌陶瓷；将碳/氧化锌陶瓷在体积比浓度为10%的氟硅烷异丙醇溶液中浸泡7天后取出晾干，即制得具有水稻叶微观构造的碳/氧化锌超疏水陶瓷。图5所示为制得的碳/氧化锌超疏水陶瓷与水的接触角，Θ =160°，达到超疏水性。
权利要求
1.一种烧结超疏水性植物叶片制备碳/氧化锌超疏水陶瓷的方法，其特征在于步骤如下 步骤I、以超疏水性植物叶片为原料，将其干燥； 步骤2、将干燥后的植物叶片置于非氧化性气氛保护烧结炉中烧结，烧结温度为大于400 °C，升温速率低于5 °C/min，制得具有植物叶片微观构造的碳素陶瓷； 步骤3、将碳素陶瓷在硝酸锌溶液中浸溃，溶液浓度大于0. 5% ； 步骤4、将浸溃后的碳素陶瓷取出干燥； 步骤5、将干燥后的碳素陶瓷放在非氧化性气氛保护烧结炉中烧结，烧结温度为大于100 V，获得具有叶片构造的碳/氧化锌陶瓷； 步骤6、将碳/氧化锌陶瓷放入异丙醇和氟硅烷混合液中浸泡大于3天； 步骤7、将浸泡后的碳/氧化锌陶瓷取出干燥，便制得具有植物叶片微观构造的碳/氧化锌超疏水陶瓷。
2.根据权利要求I所述的烧结超疏水性植物叶片制备氧化锌超疏水陶瓷的方法，其特征在于在步骤I中，所述的干燥采用空气自然干燥或烘箱中烘烤干燥，所述的烘烤温度为70 120°C，所述的烘烤干燥时间为24 72小时；所述的超疏水性植物叶片优选荷叶、水稻叶或粽叶。
3.根据权利要求I所述的烧结超疏水性植物叶片制备氧化锌超疏水材料的方法，其特征在于在步骤2中，所述的非氧化性气氛为氩气或氮气；所述的烧结温度优选500-800°C，升温速率优选I 2 °C /min。
4.根据权利要求I所述的烧结超疏水性植物叶片制备氧化锌超疏水陶瓷的方法，其特征在于在步骤3中，所述的硝酸锌溶液浓度优选I 5%，浸溃时间为2 5分钟。
5.根据权利要求I所述的烧结超疏水性植物叶片制备氧化锌超疏水材料的方法，其特征在于在步骤5中，所述的非氧化性气氛为氩气或氮气；所述的烧结温度优选150-650°C。
6.根据权利要求I所述的烧结超疏水性植物叶片制备氧化锌超疏水陶瓷的方法，其特征在于在步骤6中，所述的异丙醇和氟硅烷混合液中氟硅烷占10% 20%体积分数，浸泡时间优选6 10天。
全文摘要
本发明烧结超疏水性植物叶片制备碳/氧化锌超疏水陶瓷的方法，是以超疏水性植物叶片为制备模板，先通过非氧化气氛保护烧结，得到具有叶片构造的碳素陶瓷，碳素陶瓷再经过硝酸锌溶液的浸渍处理，并通过非氧化气氛保护烧结，得到具有叶片构造的碳/氧化锌陶瓷，并用氟硅烷低表面能物质对其表面进行修饰，从而获得叶片构造的碳/氧化锌超疏水陶瓷。本发明所制得的碳/氧化锌超疏水陶瓷很好地遗留植物叶片的微观构造，高程度借鉴自然，具有优异的超疏水性能。
文档编号C04B35/622GK102976763SQ20121052538
公开日2013年3月20日 申请日期2012年12月7日 优先权日2012年12月7日
发明者王天驰, 常丽静, 孔嵩, 庄丽敏, 贾阳, 杨森, 陈 光 申请人:南京理工大学