[發(fā)明專利]一種超疏水剛性碳薄膜的制備方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410654545.4
• 申請(qǐng)日: 2014-11-17
• 公開（公告）號(hào): CN104402242A
• 公開（公告）日: 2015-03-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 胡南滔;張麗玲;楊超;楊志;張亞非
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 上海交通大學(xué)
• 主分類號(hào): C03C17/34
• 分類號(hào): C03C17/34
• 代理公司: 上海旭誠(chéng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 31220
• 代理人: 鄭立

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及的是碳材料領(lǐng)域一種功能碳薄膜的制備，具體涉及一種超疏水剛性碳薄膜的制備方法。

背景技術(shù)

超疏水的研究始于自然界的動(dòng)植物，諸如荷葉表面、水黽的腿、蜻蜓的翅膀等均表現(xiàn)出超疏水現(xiàn)象，因此，其受到了廣泛的關(guān)注。超疏水的定義是材料表面的水接觸角大于150°，滾動(dòng)接觸角小于10°。利用其獨(dú)特的表面性能，超疏水材料在自清潔領(lǐng)域、微流體系統(tǒng)方向、生物相容性領(lǐng)域等各個(gè)方面具有廣泛的應(yīng)用前景。實(shí)現(xiàn)超疏水的方式主要分為兩種，一種是在材料表面構(gòu)筑微納結(jié)構(gòu)；另一種是通過(guò)化學(xué)方法降低材料表面的表面能。

經(jīng)過(guò)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，含氟類聚合物、金屬或金屬氧化物、碳納米管材料、石墨烯等材料都實(shí)現(xiàn)了超疏水性能。在碳材料領(lǐng)域，Lau?K.K.S.等人在Nano?Letters第3卷1701～1705頁(yè)撰文提出，成功制備出具有超疏水性能的碳納米管森林陣列；沈陽(yáng)金屬所成會(huì)明研究院課題組在Small第9卷75～80頁(yè)撰文提出，通過(guò)模板法化學(xué)氣相沉積得到了具有超疏水性的石墨烯泡沫材料。諸如此類的碳材料具有很好的抗粘附、自清潔、抗腐蝕、低摩擦等優(yōu)點(diǎn)。然而碳納米管和石墨烯材料的制備原材料具有價(jià)格昂貴、制備過(guò)程復(fù)雜、成本率低等缺點(diǎn)。

因此，除了以碳納米管和石墨烯為原材料以外，急需開發(fā)及構(gòu)筑更簡(jiǎn)單易行、更廣泛、更廉價(jià)的碳材料及其微納結(jié)構(gòu)，并實(shí)現(xiàn)其表面超疏水性能。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種超疏水剛性碳薄膜的制備方法，經(jīng)石墨烯/聚酰亞胺前驅(qū)體的制備、具有特殊微納結(jié)構(gòu)的石墨烯/玻璃碳復(fù)合薄膜的制備、石墨烯/玻璃碳復(fù)合薄膜的表面處理等步驟，實(shí)現(xiàn)超疏水剛性碳薄膜的制備。

本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，一種超疏水剛性碳薄膜的制備方法，包括以下步驟：

第一步，石墨烯/聚酰亞胺前驅(qū)體薄膜的制備：在室溫下，將一定量的石墨烯分散在有機(jī)溶劑中，超聲分散一段時(shí)間，加入一定量的4,4'-二苯醚二胺后，分批次加入均苯四甲酸二酐，攪拌聚合反應(yīng)過(guò)夜，得到石墨烯/聚酰胺酸溶液。將石墨烯/聚酰胺酸溶液在玻璃片上流延成膜，在50～180℃加熱1～24h去除溶劑后，再置于180～350℃真空或惰性氣體保護(hù)的條件下加熱1～24h，得到石墨烯/聚酰亞胺前驅(qū)體薄膜。

優(yōu)選地，石墨烯有機(jī)溶劑分散液的濃度為0.01～5mg/mL。

優(yōu)選地，有機(jī)溶劑可以為N,N-二甲基乙酰胺、N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮、甲醇與四氫呋喃的混合液。

優(yōu)選地，石墨烯/聚酰胺酸溶液的固含量為0.1～10wt％。

優(yōu)選地，惰性氣體為氮?dú)狻鍤饣蚝獾取?/p>

第二步，具有特殊微納結(jié)構(gòu)的石墨烯/玻璃碳復(fù)合薄膜的制備：將上述得到的石墨烯/聚酰亞胺薄膜在真空或惰性氣體保護(hù)的條件下，高溫下熱處理一段時(shí)間，得到剛性的石墨烯/玻璃碳復(fù)合薄膜。

優(yōu)選地，惰性氣體為氮?dú)狻鍤饣蚝獾取?/p>

優(yōu)選地，高溫?zé)崽幚頊囟葹?00～1800℃；高溫?zé)崽幚頃r(shí)間為5～180min。

第三步，石墨烯/玻璃碳復(fù)合薄膜的表面處理：將上述得到的石墨烯/玻璃碳復(fù)合薄膜首先進(jìn)行等離子體處理一段時(shí)間，隨后通過(guò)一定濃度的含氟硅烷甲苯溶液進(jìn)行薄膜表面處理從而實(shí)現(xiàn)其超疏水性，即得到超疏水剛性碳薄膜。

優(yōu)選地，等離子體處理時(shí)間為5～60s。

優(yōu)選地，含氟硅烷為1H,1H,2H,2H-全氟癸基三氯硅烷、十二氟庚基丙基三甲氧基硅烷、十三氟辛基三甲氧基硅烷、4-甲基-(全氟己基乙基)丙基三甲氧基硅烷中的任意一種或其組合；

優(yōu)選地，含氟硅烷甲苯溶液的濃度為1～20vol％。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：制備方法具有原材料豐富、方法簡(jiǎn)單易行，可大規(guī)模制備的優(yōu)點(diǎn)；極容易實(shí)現(xiàn)碳薄膜的表面超疏水處理，并且該薄膜具有較好的力學(xué)性能；可根據(jù)需要設(shè)計(jì)制備出具有超疏水性能的不同厚度、尺寸和形狀的剛性碳薄膜。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明制備方法的整體流程示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例1制備的石墨烯/聚酰亞胺前驅(qū)體薄膜的照片；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例1制備的石墨烯/玻璃碳復(fù)合薄膜的照片及表面掃描電鏡圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例1制備的石墨烯/玻璃碳復(fù)合薄膜的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果圖；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例1制備的石墨烯/玻璃碳復(fù)合薄膜表面處理后的超疏水性能示意圖。

具體實(shí)施方式