一种碳纳米管超疏水涂层的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种碳纳米管超疏水涂层的制备方法。基片用酸洗除去表面氧化物后，依次用丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗15min，去除表面的油污和粉尘，冷风吹干待用。将含有羟基的多壁碳纳米管超声分散在异丙醇溶液中，逐滴加入氨水和去离子水，待溶液搅拌均匀后加入正硅酸四乙酯，反应一段时间后滴加氟硅烷溶液，继续搅拌，最后获得碳纳米管超疏水涂层溶液。将上述超疏水涂层溶液中，喷涂在基片上，烘干后获得碳纳米管超疏水涂层。这种低粘附性的超疏水涂层具有自清洁、抗污染、抗凝露、抗结霜的特性。本发明专利技术制备工艺简单、成本低廉，可实现大规模化，在冷凝传热、海水淡化、空气源热泵等方面有广阔的应用前景和巨大的市场效益。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于纳米材料制备
，具体涉及一种冷凝时露滴可自弹跳的碳纳米管超疏水涂层的制备方法。
技术介绍
在日常生活和工业生产中，固体表面会沉积一层灰尘并附有大量的微生物，不仅造成环境污染，而且容易危害人体健康，具有“荷叶效应”的低粘附性超疏水表面具有自清洁、抗污染、防腐蚀等优点可以有效解决这一问题；在低温高湿环境下，金属表面容易发生结露和结霜/冰等现象，这样不仅会腐蚀金属表面，减少其使用寿命，甚至造成使用过程重大事故，而且除露、融霜/冰加大生产成本且造成极大的能源浪费，根据国内外研究发现，具有“荷叶效应”的低粘附性超疏水表面具有抗结露、防霜疏冰等作用，可以有效的应用在这一方面，因此制备出可以大量规模化应用、成本低廉的超疏水表面迫在眉睫。2003年，麻省理工学院Lau等研究人员最先发现【NanoLett2003,3,1701】，阵列碳纳米管(高度2μm)超疏水表面冷凝时，仅在结构顶端形成微米级球状微滴，易脱附；而杜克大学陈传华等制备的碳纳米管(高度400nm)超疏水表面【ApplPhysLett2007,90,173108.】，露滴则能在结构间隙生长，难脱附。本课题组数值模拟结果表明【Langmuir2014,30,12559】，Lau等制备的纳米结构间隙气流不畅，水汽密度基本不变，形核难以长大，Cassie态较为稳定；而陈传华等制备的碳纳米管粗糙度不够，Cassie态不稳定，结露时转变成了Wenzel润湿态。目前大量的研究表明，只有Cassie态稳定的纳米超疏水表面，结露微滴才能生长在结构顶端，易脱附，如硅纳米线【AcsNano2015,9,71】、氧化铜纳米片【NanoLett2013,13,179】、氧化锌纳米锥【ChemRev2015,115,8230】、氧化铝纳米棒【AngewChemIntEdit2016,55,1】，甚至多孔纳米颗粒涂层【AcsNano2015,9,12311；AngewChemIntEdit2015,54,4876】等。同时，结霜试验研究也表明，纳米超疏水表面霜晶形核难，且只在结构顶部缓慢生长；加热融化时，霜层在底部霜水“润滑膜”的促进下，极易整层滑落/剥落，脱附效率高，且残留少。近几年研究显示，Cassie态纳米超疏水表面微滴合并释放的表面能，若足够满足微滴粘附和粘性流动的能量消耗，合并形成的新微滴会自驱弹跳，极易脱落，从而提高了表面的抗露和防霜性能。阵列纳米结构超疏水表面粘附力小，容易出现微滴自驱弹跳现象。但是，现有的冷凝时露滴能够自弹的超疏水表面，一直存在制备工艺繁琐，条件苛刻，难以大面积制备，成本高等问题。
技术实现思路
技术问题：本专利技术的目的是提供一种碳纳米管超疏水涂层的制备方法，本专利技术所述方法，只需简单工艺，将一定尺寸的羟基碳纳米管改性，即可获得喷涂溶液，然后利用简单的涂覆成膜方法，即可获得具有露滴自弹跳特性的超疏水表面，工艺简便、成本低，且基底仅经过清洁处理即可，无材质、形状、尺寸等特殊要求，可大规模施工。技术方案：本专利技术的一种碳纳米管超疏水涂层的制备方法包括下列步骤：1)喷涂溶液的配制：20～50℃下，将0.2～2份粉末状多壁碳纳米管超声分散于50～200份异丙醇溶液中，依次加入4～8份去离子水、1～4份氨水，以1000r/min速度搅拌10min后，逐滴加入0.3～1.5份正硅酸四乙酯，以1500r/min搅拌1～2h，向溶液中逐滴加入0.5～2份氟硅烷，搅拌24h～72h，获得超疏水涂层溶液；2)碳纳米管超疏水涂层的制备：采用喷涂、刷涂、浸涂或旋涂的方法，将超疏水涂层溶液涂覆至清洁后的基片表面，自然晾干后即可获得碳纳米管超疏水涂层。所述碳纳米管为带有羟基的多壁碳纳米管，管径为2～50nm，长度在1～30μm之间，羟基含量为5～8％，所述的氟硅烷为碳链长大于5，端基为三乙氧基的长链全氟硅烷。有益效果：(1)羟基碳纳米管进行氟硅烷改性后，可在碳纳米管表面接枝长链全氟烷基，显著降低纳米管的表面能，避免团聚。(2)在喷涂溶液中加入正硅酸乙酯和氨水，形成的纳米二氧化硅纳米颗粒，可与碳纳米管搭接或缠绕，提升了纳米管涂层的强度，并提高了表面的粗糙度，从而获得了纳米多孔粗糙表面，对超疏水性的获得、冷凝时露滴的弹跳，起到了至关重要的作用。(3)本专利技术采用的碳纳米管具有非常优异的导热和导电特性，采用本专利技术所述方法获得超疏水涂层具有很好的导电性和导热性，结露时形核速率快，露滴弹跳速度快，有利于从表面快速脱附，从而有效降低表面的露滴残留量和露滴尺寸，这对保持表面干燥，提高换热效率具有重要的意义，在空调换热器、集水、海水淡化、冷凝传热等领域具有重要的应用前景。(4)现有的具有露滴自弹跳特性的超疏水表面一般需要构建阵列纳米结构，或利用较复杂工艺获得纳米多孔表面，本专利技术所述方法，只需简单工艺，将一定尺寸的羟基碳纳米管改性，即可获得喷涂溶液，然后利用简单的涂覆成膜方法，即可获得具有露滴自弹跳特性的超疏水表面，工艺简便、成本低，且基底仅经过清洁处理即可，无材质、形状、尺寸等特殊要求，可大规模施工。附图说明图1玻璃基底上喷涂法制备碳纳米管超疏水涂层的扫描电镜图。图2水滴在玻璃基底上碳纳米管超疏水涂层的静态接触。图3铜基底上旋涂法制备碳纳米管超疏水涂层的扫描电镜图。图4铜基底上碳纳米管超疏水涂层冷凝结露自弹跳图。图5水滴在微米阵列硅基底浸渍法制备超疏水涂层的静态接触图。具体实施方式实例1：玻璃基底基底喷涂法制备碳纳米管超疏水涂层35℃水浴条件下，将80份无水乙醇、1份氨水、4份去离子水、0.8份多壁碳纳米管加入到烧杯中，纳米管内径40～50nm，长度10～30μm，羟基含量为5.58％，超声分散0.5h，逐滴加入0.5份的正硅酸四乙酯到溶液中，反应1h；最后将1份氟硅烷滴加到溶液中，搅拌24h，获得超疏水涂层溶液，将溶液喷涂在清洗过的玻璃基底上，室温晾干即可获得碳纳米管超疏水涂层，表面形貌如图1所示，水滴在其上的静态接触角如图2所示，接触角为160.3°。实例2：铜基底旋涂法制备碳纳米管超疏水涂层30℃水浴条件下，将130份无水乙醇、2.5份氨水、6份去离子水、1份多壁碳纳米管加入到烧杯中，纳米管内径2～5nm，长度10～30μm，羟基含量为5％，超声分散1h，逐滴加入0.8份的正硅酸四乙酯到溶液中，反应1.2h；最后将1份氟硅烷滴加到溶液中，搅拌36h，获得超疏水涂层溶液，将溶液旋涂在清洗过的铜基底上，室温晾干即可获得碳纳米管超疏水涂层，表面形貌如图3所示，冷凝结露自弹跳如图4所示，将碳纳米管直接用氟硅烷改性的溶液直接涂敷在基片上虽然也可以获得超疏水性，但低温高湿冷凝情况下，液滴粘附性大且只是合并生长而没有弹跳现象，不利于液滴的脱附。实例3：微米阵列硅基底浸渍法制备碳纳米管超疏水涂层45℃水浴条件下，将160份无水乙醇、4份氨水、7份去离子水、1.5份多壁碳纳米管加入到烧杯中，纳米管内径2～5nm，长度1～3μm，羟基含量为8％，超声分散1h，逐滴加入1.2份的正硅酸四乙酯到溶液中，反应1.5h；最后将1.5份氟硅烷滴加到溶液中，搅拌58h，获得超疏水涂层溶液，将清洗过的微米硅柱基底基底浸渍到溶液中，取出吹干，重复3～5次，室温晾干即可获得碳纳米管超疏水涂层，水滴本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种碳纳米管超疏水涂层的制备方法，其特征在于所述方法包括下列步骤：1）喷涂溶液的配制：20～50℃下，将0.2～2份粉末状多壁碳纳米管超声分散于50～200份异丙醇溶液中，依次加入4～8份去离子水、1～4份氨水，以1000r/min速度搅拌10min后，逐滴加入0.3～1.5份正硅酸四乙酯，以1500r/min搅拌1～2h，向溶液中逐滴加入0.5～2份氟硅烷，搅拌24h～72h，获得超疏水涂层溶液；2）碳纳米管超疏水涂层的制备：采用喷涂、刷涂、浸涂或旋涂的方法，将超疏水涂层溶液涂覆至清洁后的基片表面，自然晾干后即可获得碳纳米管超疏水涂层。

【技术特征摘要】
1.一种碳纳米管超疏水涂层的制备方法，其特征在于所述方法包括下列步骤：1）喷涂溶液的配制：20～50℃下，将0.2～2份粉末状多壁碳纳米管超声分散于50～200份异丙醇溶液中，依次加入4～8份去离子水、1～4份氨水，以1000r/min速度搅拌10min后，逐滴加入0.3～1.5份正硅酸四乙酯，以1500r/min搅拌1～2h，向溶液中逐滴加入0.5～2份氟硅烷，搅拌24h...

【专利技术属性】
技术研发人员：张友法，张静，余新泉，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32