一种氧化石墨烯/硅酸铜复合粉末及其制备方法和超疏水涂层中的应用与流程

本发明涉及一种表面具有微纳结构的氧化石墨烯/硅酸铜复合粉末及其制备方法和超疏水涂层中的应用。

背景技术：

超疏水表面一般指水滴在其接触角大于150度，滚动角小于10度的表面。它具有自清洁、抗粘附、防雾抑菌、防水等优良特性，因而引起了人们的极大关注和研究兴趣。已有的研究表明，影响固体表面浸润性的因素主要有:1.表面自由能，2.表面粗糙度。当表面自由能降低时，疏水性能就会得到增强。然而，即使是具有最低表面能的光滑固体表面与水的接触角也才接近120度。而且，由于表面能是材料的固有特征，因此要达到更高接触角，制备出超疏水表面，则必须设计材料的表面微细结构。使其在微观尺度上具有粗糙表面。

然而粗糙的表面通常会导致光散射的增加，因此通常制备的超疏水表面往往都是不透明的。目前，主要有两个思路来解决透明性与超疏水性能难以兼得的矛盾:1.采用高透光性的材料(主要为纳米sio2)来构筑表面的微细结构。2.在材料表面构筑微纳结构，从而得到合适的表面粗糙度以确保可见光透光性和超疏水性可以同时兼备。

此外，随着汽车工业，太阳能电池板以及日用品(如抗结冰镜，护目镜)的发展，单一的疏水性涂层已不能满足需要。需要开发出多功能的超疏水涂层。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种表面具有微纳结构的氧化石墨烯/硅酸铜复合粉末和制备方法，及其在制备高透明、自清洁、抗腐蚀的超疏水涂层中的应用。

本发明采用以下技术方案：

一种表面具有微纳结构的氧化石墨烯/硅酸铜复合粉末，所述表面具有微纳结构的氧化石墨烯/硅酸铜复合粉末包括由片状氧化石墨烯构成的内核、及针状纳米硅酸铜构成的壳层；所述的针状纳米硅酸铜以阵列的形式排布在内核表面上。

进一步，本发明所述的内核长、宽各自独立为2-6μm，厚度为20-60nm。

进一步，本发明所述针状纳米硅酸铜的直径为10～15nm，长度为50～150nm。

进一步，本发明所述表面具有微纳结构的氧化石墨烯/硅酸铜复合粉末按以下方法制备得到：

1)将表面活性剂、醇类溶剂加入去离子水中形成混合溶液，然后将氧化石墨烯分散在上述混合溶液中，超声分散以获得均匀的悬浮液；

2)将硅酸酯类化合物加入上述溶液中，在室温下搅拌；经离心、洗涤、干燥后，得到二氧化硅包覆的氧化石墨烯；

3)取步骤(2)获得的二氧化硅包覆的氧化石墨烯分散在去离子水中，超声分散；在搅拌下加入氨水调节ph值至10-11.5，并将含铜化合物逐滴加入，继续搅拌后将混合悬浮液转移至内衬为聚四氟乙烯的不锈钢高压釜中，于80～120℃下保温后在空气中冷却至室温，经离心、洗涤、干燥后，得到所述的表面具有微纳结构的氧化石墨烯/硅酸铜复合粉末。

进一步，本发明所述表面具有微纳结构的氧化石墨烯/硅酸铜复合粉末具体按以下方法制备得到：

1)将表面活性剂、醇类溶剂加入去离子水中形成混合溶液，然后将氧化石墨烯分散在上述混合溶液中，超声分散20-60min以获得均匀的悬浮液；所述的醇类溶剂的体积用量以氧化石墨烯的质量计为200～12000ml/g；所述去离子水的用量以氧化石墨烯的质量计为100～5000ml/g；所述表面活性剂与氧化石墨烯的质量比为1～5：1；

2)将硅酸酯类化合物加入上述溶液中，在室温下连续搅拌5-8h；经离心、洗涤、干燥后，得到二氧化硅包覆的氧化石墨烯；所述的硅酸酯类化合物的用量以氧化石墨烯的质量计为5～300ml/g；所述硅酸酯类化合物为正硅酸甲酯、正硅酸乙酯、正硅酸丙酯、正硅酸异丙酯、正硅酸丁酯中的任一种或两种；

3)取步骤(2)获得的二氧化硅包覆的氧化石墨烯分散在去离子水中，超声分散20-60min；在搅拌下加入氨水调节ph值至10-11.5，并将含铜化合物逐滴加入，继续搅拌后将混合悬浮液转移至内衬为聚四氟乙烯的不锈钢高压釜中，于80～120℃下保温8～24h后在空气中冷却至室温，经离心、洗涤、干燥后，得到所述的表面具有微纳结构的氧化石墨烯/硅酸铜复合粉末；所述含铜化合物为硝酸铜、乙酸铜、硫酸铜、氯化铜中的任一种；所述去离子水的用量以所取二氧化硅包覆的氧化石墨烯的质量计为1～5l/g；所述含铜化合物的用量以所取氧化石墨烯的质量计为0.005～0.04mol/g。

进一步，本发明所述表面活性剂优选为十六烷基三甲基溴化铵、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基三甲基溴化铵中的任一种或两种；所述醇类溶剂为甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、正丁醇、丙三醇、环已醇中的任一种。

通常，步骤(2)或(3)中所述洗涤采用去离子水、甲醇、乙醇、异丙醇中的任一种或两种为洗涤液交替洗涤。

具体地，本发明所述表面具有微纳结构的氧化石墨烯/硅酸铜复合粉末的制备方法按以下步骤进行：

首先将0.05～0.5g的表面活性剂，120ml醇类溶剂加入10～50ml去离子水形成混合溶液，然后将0.01～0.2g氧化石墨烯分散在上述混合溶液中，超声分散20～60min以获得均匀的悬浮液。然后将0.5～5ml硅酸酯加入上述溶液中，在室温下连续搅拌5～8h。经离心、洗涤、干燥后，得到二氧化硅包覆的氧化石墨烯微粉。最后将上述二氧化硅包覆的氧化石墨烯微粉2～15mg分散在20～50ml去离子水中，超声分散20～60min。在轻微搅拌下加入氨水调节ph至10～11.5并将0.5～4ml0.1mol/l的含铜化合物逐滴加入，继续搅拌5min后将混合悬浮液转移至内衬为聚四氟乙烯的不锈钢高压釜中，于80～120℃下保温8～24h后在空气中冷却至室温。经离心、洗涤、干燥后，得到氧化石墨烯/硅酸铜复合粉末。

此外，本发明还提供所述的表面具有微纳结构的氧化石墨烯/硅酸铜复合粉末在制备超疏水涂层中的应用。

本发明所述表面具有微纳结构的氧化石墨烯/硅酸铜复合粉末在制备超疏水涂层中应用方法为：

将表面具有微纳结构的氧化石墨烯/硅酸铜复合粉末在基材表面上经涂覆、干燥及氟硅烷低表面能处理后制得所述超疏水涂层；所述基材为金属材料、无机非金属材料、高分子材料或复合材料。

进一步，所述应用方法具体为：

将表面具有微纳结构的氧化石墨烯/硅酸铜复合微粉超声分散于醇类溶剂中，得到浓度为0.2～1mg/ml氧化石墨烯/硅酸铜分散液；通过沉积技术，在基材表面沉积上氧化石墨烯/硅酸铜复合粉末材料，待溶剂挥发后，将所得的表面在50℃～80℃下干燥；再将所得表面在体积比0.1～1:100的氟硅烷/环己烷混合溶液中浸泡10～180min，得到所述超疏水涂层；所述氟硅烷为十三氟辛基二甲基氯硅烷、十二氟庚基丙基三甲氧基硅烷、十三氟辛基三乙氧基硅烷、十七氟癸基三甲氧基硅烷、十七氟癸基三乙氧基硅烷中的任一种。

进一步，本发明所述的表面具有微纳结构的氧化石墨烯/硅酸铜复合粉末在基材表面的分布密度不超过0.1mg/cm²。

进一步，本发明所述沉积技术为刮涂、旋涂、喷涂或滴涂中的任一种或两种的交替沉积。

本发明应用上述方法制得的超疏水涂层具有高透明、自清洁、抗腐蚀的优良性能，静态水滴接触角不小于150度；滑动角不超过1度；在可见-紫外光光波范围内，其光透过率不低于90％。

本发明具有以下优点：

1.本发明所涉及的产品工艺简单，反应条件温和易实现且工艺重复性能好。

2.通过本方法制备的所制得高透明、自清洁、抗腐蚀的超疏水涂层，具有良好的可将光透光性。

3.通过本方法制备的所制得高透明、自清洁、抗腐蚀的超疏水涂层，具有非常大的表面接触角以及极低的滚动角，水珠可在上面自由滚动并带着灰尘达到自洁的目的。

4.通过本方法制备的所制得高透明、自清洁、抗腐蚀的超疏水涂层，抗腐蚀性能好。可望在汽车，航天，太阳能电池和生活用品等领域获得巨大应用。

附图说明

图1是本发明实施例4中得到的氧化石墨烯/硅酸铜复合粉末的透射电镜图片及x射线衍射图谱。

图2是本发明实施例4中超疏水涂层的可见光透过曲线。

图3是本发明实施例4中超疏水涂层的扫描电子显微镜照片及表面元素分析图谱。

图4是本发明实施例4中超疏水涂层的水接触角状态图。

图5是本发明实施例4中超疏水涂层的水滚动角状态图(倾斜角0.5度)以及自清洁性能。

图6是本发明实施例4中超疏水涂层在盐水环境中的极化曲线。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此。

实施例1

1)氧化石墨烯/硅酸铜复合粉末的制备：将0.05g的十二烷基三甲基溴化铵，120ml乙醇加入50ml去离子水形成混合溶液，然后将0.01g氧化石墨烯分散在上述混合溶液中，超声分散20min以获得均匀的悬浮液。然后将0.5ml正硅酸乙酯加入上述溶液中，在室温下连续搅拌5h。经离心、无水乙醇和去离子水洗涤洗涤、干燥后，得到0.012g二氧化硅包覆的氧化石墨烯。再将制备的氧化硅包覆的氧化石墨烯10mg分散在20ml去离子水中，超声分散20min。在轻微搅拌下加入氨水调节ph为10并将0.5ml0.1mol/l的乙酸铜化合物逐滴加入，继续搅拌5min，将混合悬浮液转移至内衬为聚四氟乙烯的不锈钢高压釜中，80℃下保温24h，在空气中冷却至室温,经离心、无水乙醇和去离子水洗涤、干燥后，得到7mg的氧化石墨烯/硅酸铜复合粉末，其内核的长、宽约为2-6μm，厚度约为20-60nm，针状纳米硅酸铜的直径约为10nm，长度约为50nm。

(2)超疏水涂层的制备：将上述制备的氧化石墨烯/硅酸铜复合粉末超声分散于乙醇溶剂中，得到浓度为0.2mg/ml的氧化石墨烯/硅酸铜分散液。通过旋涂技术，在玻璃表面沉积上氧化石墨烯/硅酸铜复合粉末材料，待溶剂挥发后，将所得的表面在50℃下进行干燥。最后，将所得表面在十七氟癸基三甲氧基硅烷/环己烷混合溶液(体积比：0.5:100)中浸泡30min。得到氟硅烷表面改性后的超疏水涂层。该涂层的静态接触角为146°，滚动角为2°，透明性优。

实施例2

氧化石墨烯/硅酸铜复合粉末的制备：将0.03g的十二烷基苯磺酸钠，120ml丙醇加入30ml去离子水形成混合溶液，然后将0.01g氧化石墨烯分散在上述混合溶液中，超声分散40min以获得均匀的悬浮液。然后将3ml正硅酸甲酯加入上述溶液中，在室温下连续搅拌6h。经离心、洗涤、干燥后，得到0.015g二氧化硅包覆的氧化石墨烯。再将制备的二氧化硅包覆的氧化石墨烯10mg分散在40ml去离子水中，超声分散40min。在轻微搅拌下加入氨水调节ph＝10.8并将0.6ml0.1mol/l的硝酸铜与0.9ml0.1mol/l乙酸铜逐滴加入，继续搅拌5min，将混合悬浮液转移至内衬为聚四氟乙烯的不锈钢高压釜中，100℃下保温12h，在空气中冷却至室温,经离心、甲醇和去离子水洗涤、干燥后，得到7mg的氧化石墨烯/硅酸铜复合粉末，其内核的长、宽约为2-6μm，厚度约为20-60nm，针状纳米硅酸铜的直径约为10nm，长度约为80nm。

(2)超疏水涂层的制备：将上述制备的氧化石墨烯/硅酸铜复合粉末超声分散于丙醇溶剂中，得到浓度为0.6mg/ml的氧化石墨烯/硅酸铜分散液。通过刮涂技术，在聚酯薄膜表面沉积上氧化石墨烯/硅酸铜复合粉末材料，待溶剂挥发后，将所得的表面在70℃下进行干燥。最后，将所得表面在十三氟辛基三乙氧基硅烷/环己烷混合溶液(体积比：0.1:100)中浸泡180min。得到氟硅烷表面改性后的超疏水涂层。该涂层的静态接触角为150°，滚动角为1°，具有高透明性、自清洁的能力。

实施例3

氧化石墨烯/硅酸铜复合粉末的制备：将0.5g的十二烷基三甲基溴化铵，120ml正丁醇加入50ml去离子水形成混合溶液，然后将0.5g氧化石墨烯分散在上述混合溶液中，超声分散40min以获得均匀的悬浮液。然后将2.5ml正硅酸异丙酯加入上述溶液中，在室温下连续搅拌6h。经离心、洗涤、干燥后，得到1.8g的二氧化硅包覆的氧化石墨烯。再将制备的二氧化硅包覆的氧化石墨烯10mg分散在10ml去离子水中，超声分散40min。在轻微搅拌下加入氨水调节ph＝10并将3ml0.1mol/l的氯化铜与2ml0.1mol/l乙酸铜逐滴加入，继续搅拌5min，将混合悬浮液转移至内衬为聚四氟乙烯的不锈钢高压釜中，120℃下保温8h，在空气中冷却至室温,经离心、异丙醇和去离子水洗涤、干燥后，得到7mg的氧化石墨烯/硅酸铜复合粉末，其内核的长、宽约为2-6μm，厚度约为20-60nm，针状纳米硅酸铜的直径约为10nm，长度约为10nm。

(2)超疏水涂层的制备：将上述制备的氧化石墨烯/硅酸铜复合粉末超声分散于甲醇溶剂中，得到浓度为0.6mg/ml的氧化石墨烯/硅酸铜分散液。通过刮涂技术，在聚酯薄膜表面沉积上氧化石墨烯/硅酸铜复合粉末材料，待溶剂挥发后，将所得的表面在70℃下进行干燥。最后，将所得表面在十二氟庚基丙基三甲氧基硅烷/环己烷混合溶液(体积比：0.8:100)中浸泡10min。得到氟硅烷表面改性后的超疏水涂层。该涂层的静态接触角为148°，滚动角为2°，透明性优。

实施例4(1)氧化石墨烯/硅酸铜复合粉末的制备：氧化石墨烯/硅酸铜复合粉末的制备：将0.5g的十六烷基三甲基溴化铵，120ml异丙醇加入50ml去离子水形成混合溶液，接着将0.2g氧化石墨烯分散在上述混合溶液中，超声分散60min以获得均匀的悬浮液。然后将5ml正硅酸丁酯加入上述溶液中，在室温下连续搅拌8h。经离心、洗涤、干燥后，得到1.2g的二氧化硅包覆的氧化石墨烯。再将制备的二氧化硅包覆的氧化石墨烯10mg分散在50ml去离子水中，超声分散60min。在轻微搅拌下加入氨水调节ph为11.5并将3ml0.1mol/l的乙酸铜化合物逐滴加入，继续搅拌5min，将混合悬浮液转移至内衬为聚四氟乙烯的不锈钢高压釜中，120℃下保温24h,在空气中冷却至室温,经离心、无水乙醇和去离子水洗涤、干燥后，得到7mg的氧化石墨烯/硅酸铜复合粉末，其内核的长、宽约为2-6μm，厚度约为20-60nm，针状纳米硅酸铜的直径约为15nm，长度约为150nm。

图1是上述步骤得到的氧化石墨烯/硅酸铜复合粉末的透射电镜图片及x射线衍射图谱。根据透射电镜图中显示，石墨烯片层表面长出了较为密集的纳米针阵列结构，且结构较为规整。硅酸铜纳米针的直径约为15nm，长度约为150nm。从x射线衍射图谱中可以确认纳米针的结构成分为硅酸铜。这些特征性的宽衍射峰经索引可知属于硅酸铜(cusio3·2h2o，jcpdscardno.03-0219)。样品在20.4°，26.54°，30.54°，31.84°，36.5°，56.4°，62.7°和71.4°出现了不同强度的衍射峰，对应硅酸铜结构的(130)，(132)，(023)，(360)和(362)晶面。

(2)超疏水涂层的制备：将上述制备的氧化石墨烯/硅酸铜复合微粉超声分散于甲醇溶剂中，得到浓度为1mg/ml的氧化石墨烯/硅酸铜分散液。通过滴涂与刮涂技术，在金属铜片表面沉积上氧化石墨烯/硅酸铜复合粉末材料，待溶剂挥发后，将所得的表面在80℃下进行干燥。最后，将所得表面在十七氟癸基三乙氧基硅烷/环己烷混合溶液(体积比：0.8:100)中浸泡10min。得到氟硅烷表面改性后的超疏水涂层。

利用紫外分光光度计对得到的超疏水涂层的透光率进行测试，在可见光波段，透光率随着可见光波长的增加而增加，均在90％以上，如图2所示。在扫描电镜下观察超疏水涂层，可见硅酸铜针状结构的长度可以达到100nm，如图3所示。在室温下，采用全自动光学接触角测量仪测试超疏水涂层的静态接触角，测试的水滴为4μl，如图4所示，其静态接触角约为154°，达到超疏水条件。对疏水涂层进行滚动角测试，结果如图5。当4μl的小水滴在膜上滚动时，其滚动角可低至0.5°，且相邻照片的拍摄间隙为240ms。这说明氧化石墨烯/硅酸铜膜经十七氟癸基三乙氧基硅烷/环己烷混合溶液修饰后具有较低的表面能，再加上本身具有优异的表面微纳结构，因此具有良好的疏水效果。将大量的尘埃颗粒均匀散落在涂层表面，然后用注射器针头产生近10μl的水滴，慢慢拖延至灰尘聚集区域，结果发现滚动的球形水滴能够有效地收集超疏水表面的尘埃颗粒，实现自清洁。

对超疏水膜进行防腐蚀性能测试，所得tafel极化曲线如图6所示。由图可看出，相比于铜基底，超疏水涂层的腐蚀电位ecorr从-0.383v正移至0.466v，腐蚀电流icorr由2.03×10^-5a/cm²下降至1.29×10^-6a/cm²。由上述结果可知，腐蚀电位正移，腐蚀电流下移，这说明该超疏水膜相比于纯的铜基底，抗腐蚀性增强。