燒結植物葉片製備碳/氧化鋅超疏水陶瓷的方法

2023-10-07 20:54:14 1

專利名稱：燒結植物葉片製備碳/氧化鋅超疏水陶瓷的方法
燒結植物葉片製備碳/氧化鋅超疏水陶瓷的方法技術領域
本發明屬於一種製備碳/氧化鋅超疏水陶瓷的方法，特別是一種利用燒結疏水性植物葉片製備碳/氧化鋅超疏水陶瓷的方法。
背景技術：
生產生活中，很多器部件常年暴露在多塵、多水、多汙染的環境中，粘上灰塵、水氣或雜質後較難清理，並會影響器部件功能的發揮，因此人們也希望這些器部件具有超疏水性(與水的接觸角大於150度)，從而實現自清潔功能。自然界中很多植物的葉片具有超疏水能力，如荷葉、水稻葉、花生葉、棕葉、甘藍、芋頭葉、翠菊葉等。細看這些葉片，其表面並不光滑，有很多精細的微納米凸起。當雨水落在這些葉片上，雨水只與凸起尖端點接觸，表面黏附作用力很弱。因此水在表面張力作用下可凝成水珠，並能在葉片表面隨意滾動。而灰塵與葉片也為點接觸，表面黏附作用力小，很容易被水珠帶走。荷葉等葉片正是利用這種微納米凸起構造實現了超疏水性，從而起到自清潔功效。目前人們通常模仿植物葉片的構造，在低表面能物質上加工出粗糙表面，或先在器部件上加工出粗糙表面，並用低表面能物質修飾粗糙表面，從而使其具有超疏水能力。如今人們已利用溶膠-凝膠法、水熱法、 陽極氧化法、等離子體處理、相分離法、模板擠壓法、電化學沉積法等製備出多種粗糙構造的碳、氧化鋅、氧化矽、氧化鈦等超疏水材料。這些材料可用於高樓大廈室外玻璃、汽車玻璃、輸油管道、下水管、太陽能電池板、室外天線、血液相容性生物材料、船舶殼體、燃料電池等。然而，這些粗糙構造的獲得仍然通過純粹的人工模仿，人們即使採用目前最高水準的技術和儀器，還是難以仿製出荷葉等經億萬年優化的精細構造，這也限制了材料疏水性能的進一步提高。近來，人們還通過平版印刷法(或稱納米澆鑄法)複製植物葉片構造來獲得超疏水表面，即利用植物葉片作為母版，先在葉片上塗附二甲基矽氧烷或金屬鎳，除去葉片後獲得凸凹相反結構的陰模；再將陰模壓印於流體聚合物上，或在陰模上澆鑄流體聚合物，待聚合物固化後移去陰模即可得到與葉片結構相仿的超疏水聚合物表面，詳情參看 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。由於平版印刷法需經過兩次複製翻版才可獲得具有葉片構造的表面，其表面構造在多次複製過程中易變形，保真程度不高。葉片中一些錯綜複雜的結構也難以通過印刷手段複製。並且翻版法需要可流動、可固化的物質進行填模翻版，所以該法只能獲得聚合物的超疏水材料，卻難以獲得陶瓷超疏水材料。本發明利用荷葉、水稻葉、粽葉等超疏水性植物葉片作為模板，通過非氧化氣氛保護燒結的方法可獲得高保真的葉片構造的碳素陶瓷，再經硝酸鋅溶液浸潰處理，通過非氧化性氣氛保護燒結，並用低表面能物質加以修飾，製得碳/ 氧化鋅超疏水陶瓷發明內容
本發明的目的在於提供一種高程度借鑑自然、製成品性能優良的製備碳/氧化鋅超疏水材料的方法。
實現本發明目的的技術解決方案為一種用燒結超疏水性植物葉片製備碳/氧化鋅超疏水材料的方法，步驟如下(O以超疏水性植物葉片為原料，將其乾燥；(2)將乾燥後的植物葉片置於非氧化性氣氛保護燒結爐中燒結，燒結溫度為大於400 °C，升溫速率低於3 V /min，製得具有植物葉片微觀構造的碳素陶瓷；(3)將碳素陶瓷在硝酸鋅溶液中浸潰，溶液濃度大於O.5% ；(4)將浸潰後的碳素陶瓷取出乾燥；(5)將乾燥後的碳素陶瓷放在非氧化性氣氛保護燒結爐中燒結，燒結溫度為大於100 V，獲得具有葉片構造的碳/氧化鋅陶瓷；(6)將碳/氧化鋅陶瓷放入異丙醇和氟矽烷混合液中浸泡大於3天；(7)將浸泡後的碳/氧化鋅陶瓷取出乾燥，便製得具有植物葉片微觀構造的碳/氧化鋅超疏水陶瓷。
步驟I中所述的乾燥採用空氣自然乾燥或烘箱中烘烤乾燥，所述的烘烤溫度為 70 120°C，所述的烘烤乾燥時間為24 72小時；所述的超疏水性植物葉片優選荷葉、水稻葉或粽葉。
步驟2中所述的非氧化性氣氛為氬氣或氮氣；所述的燒結溫度優選500-800°C，升溫速率優選I 2 °C /min。
步驟3中所述的硝酸鋅溶液濃度優選I 5%，浸潰時間為2 5分鐘。
步驟5中所述的非氧化性氣氛為氬氣或氮氣；所述的燒結溫度優選150-650°C。
步驟6中所述的異丙醇和氟矽烷混合液中氟矽烷佔10% 20%體積分數，所述的浸泡時間優選6 10天。
本發明的原理為本發明利用超疏水性植物葉片為模板，將其在非氧化性氣氛中燒結。燒結時葉片中的有機物發生分解，氧、氫、氮和部分碳轉變為氣體揮發，而其中的絕大部分碳元素則保留下來，並且葉片表面的微納米凸起構造在燒結過程中也被保留下來，從而形成具有植物葉片微觀構造的碳素陶瓷。這種碳素陶瓷經硝酸鋅溶液浸潰、取出乾燥後， 會在碳素陶瓷表面形成硝酸鋅覆蓋層。將其燒結時，硝酸鋅分解，並在碳素陶瓷表面形成氧化鋅薄層，從而形成具有植物葉片構造的碳/氧化鋅陶瓷。該陶瓷在低表面能的氟矽烷溶液中浸泡過程中，氟矽烷通過水解和縮聚在碳/氧化鋅陶瓷表面形成極薄的覆蓋層。當水落在這種碳/氧化鋅陶瓷上，微納米凸起間隙中的空氣會被鎖定，水與碳/氧化鋅陶瓷之間形成一層極薄的空氣層，這樣水只與凸起尖端點接觸，表面黏附作用力很弱。因此水在表面張力作用下可凝成水珠，並能在葉片表面隨意滾動，從而實現超疏水性。
本發明與現有技術相比，其顯著優點所製備的氧化鋅超疏水陶瓷遺留植物葉片的微觀構造，高程度的借鑑自然，具有優異的超疏水性能。
下面結合附圖對本發明作進一步詳細描述。

圖I是本發明實施例I中利用燒結荷葉製得的碳/氧化鋅陶瓷的XRD圖譜。
圖2是本發明實施例I中利用燒結荷葉製得的碳/氧化鋅陶瓷的微觀構造圖。
圖3是本發明實施例I中利用燒結荷葉製得的碳/氧化鋅超疏水陶瓷的接觸角圖。
圖4是本發明實施例2中利用燒結粽葉製得的碳/氧化鋅超疏水陶瓷的接觸角圖。
圖5是本發明實施例3中利用燒結水稻葉製得的碳/氧化鋅超疏水陶瓷的接觸角圖。
具體實施方式
用植物葉片製備碳/氧化鋅超疏水陶瓷的方法，其步驟如下(1)將荷葉、粽葉或水稻葉超疏水性植物葉片在烘箱中烘烤乾燥，烘烤溫度為70 120 °C，乾燥時間為24 72小時；(2)將乾燥後的植物葉片置於氬氣或氮氣等非氧化性氣氛燒結爐中燒結，製得具有植物葉片微觀構造的碳素陶瓷，燒結溫度為500 800 °C，升溫速率為I 2 °C /min ；(3)將碳素陶瓷在硝酸鋅溶液中浸潰，其濃度為I 5%，浸潰時間為2 5分鐘；(4)將浸潰後的碳素陶瓷取出乾燥；(5)將乾燥後的碳素陶瓷置於氬氣或氮氣等非氧化性氣氛保護燒結爐中燒結，燒結溫度為150-650°C，獲得具有葉片構造的碳/氧化鋅陶瓷；(6)將碳/氧化鋅陶瓷放入異丙醇和氟矽烷混合液中浸泡，其體積分數為10% 20%，浸泡時間為6 10天；(7)將浸泡後的碳/氧化鋅陶瓷取出乾燥，便製得具有植物葉片微觀構造的碳/氧化鋅超疏水陶瓷。
實施例I將荷葉置於100 1烘箱中烘烤乾燥48小時後，置於氬氣氣氛爐中以2 °C/分鐘的升溫速率加熱至200 °C，再以I °C /分鐘的升溫速率加熱至800 °C，製得具有荷葉微觀構造的碳素陶瓷；再將該碳素陶瓷在濃度為I %的Zn (NO3)2溶液中浸潰2分鐘；將浸潰後的碳素陶瓷取出乾燥；將乾燥後的碳素陶瓷在氬氣氣氛爐中以:TC/min的升溫速率燒結至150°C， 獲得具有荷葉微觀構造的碳/氧化鋅陶瓷；圖I所示為製得陶瓷的X衍射圖譜，從衍射峰可知該材料包含碳和氧化鋅。圖2所示為製得的碳/氧化鋅陶瓷微觀構造的掃描電鏡照片， 可見該陶瓷很好地遺留了荷葉表面微納米凸起的微觀構造，該構造對於氧化鋅陶瓷材料具有超疏水性能起到關鍵作用。再將碳/氧化鋅陶瓷在體積比濃度為20%的氟矽烷異丙醇溶液中浸泡6天後取出晾乾，即製得具有荷葉微觀構造的碳/氧化鋅超疏水陶瓷。當水落在這種碳/氧化鋅陶瓷上，微納米凸起間隙中的空氣會被鎖定，水與碳/氧化鋅陶瓷之間形成一薄層空氣膜，這樣水只與凸起尖端點接觸，表面黏附作用力很弱。因此水在表面張力作用下可凝成水珠，從而實現超疏水性。圖3所示為製得的碳/氧化鋅超疏水陶瓷與水的接觸角，θ ΛΛ =160 ，達到超疏水性。
實施例2將粽葉置於120 1烘箱中烘烤乾燥24小時後，置於氮氣氣氛爐中以2 °C/分鐘的升溫速率加熱至600 °C，製得具有粽葉微觀構造的碳素陶瓷；再將該碳素陶瓷在濃度為3% 的Zn(NO3)2溶液中浸潰5分鐘；將浸潰後的碳素陶瓷取出乾燥；將乾燥後的碳素陶瓷放在氮氣氣氛爐中以:TC /min的升溫速率燒結至400°C，獲得具有粽葉微觀構造的碳/氧化鋅陶瓷；將碳/氧化鋅陶瓷在體積比濃度為15%的氟矽烷異丙醇溶液中浸泡10天後取出晾乾，即製得具有粽葉微觀構造的碳/氧化鋅超疏水陶瓷，圖4所示為製得的碳/氧化鋅超疏水陶瓷與水的接觸角，Θ接觸角=162 ，達到超疏水性。
實施例3將水稻葉置於70 1烘箱中烘烤乾燥72小時後，置於氬氣氣氛爐中以I °C/分鐘的升溫速率加熱至500 °C，製得具有水稻葉微觀構造的碳素陶瓷；再將該碳素陶瓷在濃度為 5%的Zn(NO3)2溶液中浸潰3分鐘；將浸潰後的碳素陶瓷取出乾燥；將乾燥後的植物葉片放在氬氣氣氛爐中以:TC /min的升溫速率燒結至650°C，獲得具有水稻葉微觀構造的碳/氧化鋅陶瓷；將碳/氧化鋅陶瓷在體積比濃度為10%的氟矽烷異丙醇溶液中浸泡7天後取出晾乾，即製得具有水稻葉微觀構造的碳/氧化鋅超疏水陶瓷。圖5所示為製得的碳/氧化鋅超疏水陶瓷與水的接觸角，Θ =160°，達到超疏水性。
權利要求
1.一種燒結超疏水性植物葉片製備碳/氧化鋅超疏水陶瓷的方法，其特徵在於步驟如下 步驟I、以超疏水性植物葉片為原料，將其乾燥； 步驟2、將乾燥後的植物葉片置於非氧化性氣氛保護燒結爐中燒結，燒結溫度為大於400 °C，升溫速率低於5 °C/min，製得具有植物葉片微觀構造的碳素陶瓷； 步驟3、將碳素陶瓷在硝酸鋅溶液中浸潰，溶液濃度大於0. 5% ； 步驟4、將浸潰後的碳素陶瓷取出乾燥； 步驟5、將乾燥後的碳素陶瓷放在非氧化性氣氛保護燒結爐中燒結，燒結溫度為大於100 V，獲得具有葉片構造的碳/氧化鋅陶瓷； 步驟6、將碳/氧化鋅陶瓷放入異丙醇和氟矽烷混合液中浸泡大於3天； 步驟7、將浸泡後的碳/氧化鋅陶瓷取出乾燥，便製得具有植物葉片微觀構造的碳/氧化鋅超疏水陶瓷。
2.根據權利要求I所述的燒結超疏水性植物葉片製備氧化鋅超疏水陶瓷的方法，其特徵在於在步驟I中，所述的乾燥採用空氣自然乾燥或烘箱中烘烤乾燥，所述的烘烤溫度為70 120°C，所述的烘烤乾燥時間為24 72小時；所述的超疏水性植物葉片優選荷葉、水稻葉或粽葉。
3.根據權利要求I所述的燒結超疏水性植物葉片製備氧化鋅超疏水材料的方法，其特徵在於在步驟2中，所述的非氧化性氣氛為氬氣或氮氣；所述的燒結溫度優選500-800°C，升溫速率優選I 2 °C /min。
4.根據權利要求I所述的燒結超疏水性植物葉片製備氧化鋅超疏水陶瓷的方法，其特徵在於在步驟3中，所述的硝酸鋅溶液濃度優選I 5%，浸潰時間為2 5分鐘。
5.根據權利要求I所述的燒結超疏水性植物葉片製備氧化鋅超疏水材料的方法，其特徵在於在步驟5中，所述的非氧化性氣氛為氬氣或氮氣；所述的燒結溫度優選150-650°C。
6.根據權利要求I所述的燒結超疏水性植物葉片製備氧化鋅超疏水陶瓷的方法，其特徵在於在步驟6中，所述的異丙醇和氟矽烷混合液中氟矽烷佔10% 20%體積分數，浸泡時間優選6 10天。
全文摘要
本發明燒結超疏水性植物葉片製備碳/氧化鋅超疏水陶瓷的方法，是以超疏水性植物葉片為製備模板，先通過非氧化氣氛保護燒結，得到具有葉片構造的碳素陶瓷，碳素陶瓷再經過硝酸鋅溶液的浸漬處理，並通過非氧化氣氛保護燒結，得到具有葉片構造的碳/氧化鋅陶瓷，並用氟矽烷低表面能物質對其表面進行修飾，從而獲得葉片構造的碳/氧化鋅超疏水陶瓷。本發明所製得的碳/氧化鋅超疏水陶瓷很好地遺留植物葉片的微觀構造，高程度借鑑自然，具有優異的超疏水性能。
文檔編號C04B35/622GK102976763SQ20121052538
公開日2013年3月20日 申請日期2012年12月7日 優先權日2012年12月7日
發明者王天馳, 常麗靜, 孔嵩, 莊麗敏, 賈陽, 楊森, 陳 光 申請人:南京理工大學