專利名稱：燒結(jié)超疏水性植物葉片制備碳素超疏水陶瓷的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種制備碳素超疏水陶瓷的方法，特別是一種利用燒結(jié)植物葉片制備碳素超疏水陶瓷的方法。
背景技術(shù)：
生產(chǎn)生活中，很多器部件常年暴露在多塵、多水、多污染的環(huán)境中，粘上灰塵、水氣或雜質(zhì)后較難清理，并會(huì)影響器部件功能的發(fā)揮，因此人們也希望這些器部件具有超疏水性(與水的接觸角大于150度)，從而實(shí)現(xiàn)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(lán)、芋頭葉、翠菊葉等。細(xì)看這些葉片，其表面并不光滑，有很多精細(xì)的微納米凸起。當(dāng)雨水落在這些葉片上，雨水只與凸起尖端點(diǎn)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，并能在葉片表面隨意滾動(dòng)。而灰塵與葉片也為點(diǎn)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(gòu)造實(shí)現(xiàn)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(gòu)造，在低表面能物質(zhì)上加工出粗糙表面，或先在器部件上加工出粗糙表面，并用低表面能物質(zhì)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(yáng)極氧化法、等離子體處理、相分離法、模板擠壓法、電化學(xué)沉積法等制備出多種粗糙構(gòu)造的碳、氧化鋅、氧化硅、氧化鈦等超疏水材料。這些材料可用于高樓大廈室外玻璃、汽車玻璃、輸油管道、下水管、太陽(yáng)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(gòu)造的獲得仍然通過(guò)純粹的人工模仿，人們即使采用目前最高水準(zhǔn)的技術(shù)和儀器，還是難以仿制出荷葉等經(jīng)億萬(wàn)年優(yōu)化的精細(xì)構(gòu)造，這也限制了材料疏水性能的進(jìn)一步提高。近來(lái)，人們還通過(guò)平版印刷法(或稱納米澆鑄法)復(fù)制植物葉片構(gòu)造來(lái)獲得超疏水表面，即利用植物葉片作為母版，先在葉片上涂附二甲基硅氧烷或金屬鎳，除去葉片后獲得凸凹相反結(jié)構(gòu)的陰模；再將陰模壓印于流體聚合物上，或在陰模上澆鑄流體聚合物，待聚合物固化后移去陰模即可得到與葉片結(jié)構(gòu)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-MoLej Tai Hun Kwonj Mass-producible replication of highly hydrophobic surfacesfrom plant leaves, Nanotechnology, 2006， 17， 3189 ；Bin Liuj Yin Fan, Yaning He，Xiaogong Wang, Fabricating Super-Hydrophobic Lotus-Leaf-Like Surfaces throughSoft-Lithographic Imprinting, Macromolecular Rapid Communications, 2006， 27，1859。由于平版印刷法需經(jīng)過(guò)兩次復(fù)制翻版才可獲得具有葉片構(gòu)造的表面，其表面構(gòu)造在多次復(fù)制過(guò)程中易變形，保真程度不高。葉片中一些錯(cuò)綜復(fù)雜的結(jié)構(gòu)也難以通過(guò)印刷手段復(fù)制。并且翻版法需要可流動(dòng)、可固化的物質(zhì)進(jìn)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。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種高程度借鑒自然、制成品性能優(yōu)良的制備碳素超疏水陶瓷的方法。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為一種用燒結(jié)超疏水性植物葉片制備碳素超疏水陶瓷的方法,步驟如下
(O以超疏水性植物葉片為原料，將其干燥；
(2)將干燥后的植物葉片置于非氧化性氣氛保護(hù)燒結(jié)爐中燒結(jié)，燒結(jié)溫度為大于400°C，升溫速率低于5 V /min，制得具有植物葉片微觀構(gòu)造的碳素陶瓷；
(3)將碳素陶瓷放入異丙醇和氟硅烷混合液中浸泡大于3天；
(4)將浸泡后的碳素陶瓷取出干燥，便制得具有植物葉片微觀構(gòu)造的碳素超疏水陶瓷。步驟I中所述的干燥采用空氣自然干燥或烘箱中烘烤干燥，所述的烘烤溫度為70 120°C，所述的烘烤干燥時(shí)間為24 72小時(shí)；所述的超疏水性植物葉片優(yōu)選荷葉、水稻葉或綜葉等。步驟2中所述的非氧化性氣氛為氬氣或氮?dú)?；所述的燒結(jié)溫度優(yōu)選500-800°C，升溫速率優(yōu)選I 2 °C /min。步驟3中所述的異丙醇和氟硅烷混合液中氟硅烷占10% 20%體積分?jǐn)?shù)，所述的浸泡時(shí)間優(yōu)選5 7天。本發(fā)明的原理為本發(fā)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(jié)。燒結(jié)時(shí)葉片中的有機(jī)物發(fā)生分解，氧、氫、氮和部分碳轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w揮發(fā)，而其中的絕大部分碳元素則保留下來(lái)，并且葉片表面的微納米凸起構(gòu)造在燒結(jié)過(guò)程中也被保留下來(lái)，從而形成具有植物葉片微觀構(gòu)造的碳素陶瓷。這種碳素陶瓷在低表面能的氟硅烷溶液中浸泡過(guò)程中，氟硅烷發(fā)生水解和縮聚，從而在碳素陶瓷表面形成極薄的氟硅烷自組裝膜。當(dāng)水落在這種碳素陶瓷上，微納米凸起間隙中的空氣會(huì)被鎖定，水與碳素陶瓷之間形成一層極薄的空氣層，這樣水只與凸起尖端形成點(diǎn)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(shí)現(xiàn)超疏水性。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)所制備的碳素超疏水陶瓷能更好地遺留植物葉片的微觀構(gòu)造，更高程度的借鑒自然，具有優(yōu)異的超疏水性能。下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。


圖I是本發(fā)明實(shí)施例I中利用燒結(jié)荷葉制得的碳素超疏水陶瓷的XRD圖譜。圖2是本發(fā)明實(shí)施例I中利用燒結(jié)荷葉制得的碳素超疏水陶瓷的微觀構(gòu)造圖。圖3是本發(fā)明實(shí)施例I中利用燒結(jié)荷葉制得的碳素超疏水陶瓷的接觸角圖。圖4是本發(fā)明實(shí)施例2中利用燒結(jié)粽葉制得的碳素超疏水陶瓷的XRD圖譜。圖5是本發(fā)明實(shí)施例2中利用燒結(jié)粽葉制得的碳素超疏水陶瓷的微觀構(gòu)造圖。圖6是本發(fā)明實(shí)施例2中利用燒結(jié)粽葉制得的碳素超疏水陶瓷的接觸角圖。圖7是本發(fā)明實(shí)施例3中利用燒結(jié)水稻葉制得的碳素超疏水陶瓷的XRD圖譜。圖8是本發(fā)明實(shí)施例3中利用燒結(jié)水稻葉制得的碳素超疏水陶瓷的微觀構(gòu)造圖。圖9是本發(fā)明實(shí)施例3中利用燒結(jié)水稻葉制得的碳素超疏水陶瓷的接觸角圖。
具體實(shí)施方式
用植物葉片制備碳素超疏水陶瓷的方法，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干燥，烘烤溫度為70 120°C，干燥時(shí)間為24 72小時(shí)；
(2)將干燥后的植物葉片置于氬氣或氮?dú)獾确茄趸詺夥諢Y(jié)爐中燒結(jié)，制得具有植物葉片微觀構(gòu)造的碳素陶瓷，燒結(jié)溫度為500 800 °C，升溫速率為I 2V /min ；
(3)將碳素陶瓷在氟硅烷和異丙醇混合液中浸泡5 7天，混合液中氟硅烷體積分?jǐn)?shù)為10% 20% ；
(4)將浸泡后的碳素陶瓷取出晾干，便制得具有植物葉片微觀構(gòu)造的碳素超疏水陶瓷。實(shí)施例I
將荷葉置于100 1烘箱中烘烤干燥48小時(shí)后，置于氬氣氣氛爐中以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，制得具有荷葉微觀構(gòu)造的碳素陶瓷。圖I所示為制得陶瓷的X衍射圖譜，從22-26°出現(xiàn)的饅頭狀衍射峰可知所得陶瓷為碳。圖2所示為制得的碳素陶瓷微觀構(gòu)造的掃描電鏡照片，可見(jiàn)碳素陶瓷很好地遺留了荷葉表面微納米凸起的微觀構(gòu)造，該構(gòu)造對(duì)于碳素陶瓷具有超疏水性能起到關(guān)鍵作用。再將該碳素陶瓷在濃度為20 %的氟硅烷溶液中浸泡6天后，取出晾干，便制得具有荷葉微觀構(gòu)造的碳素超疏水陶瓷。當(dāng)水落在這種碳素陶瓷上，微納米凸起間隙中的空氣會(huì)被鎖定，水與碳素陶瓷之間形成一薄層空氣膜，這樣水只與凸起尖端點(diǎn)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(shí)現(xiàn)超疏水性。圖3所示為制得的碳素超疏水陶瓷與水的接觸角，Θ接觸角=158 ，達(dá)到超疏水性。實(shí)施例2
將粽葉置于120 1烘箱中烘烤干燥24小時(shí)后，置于氮?dú)鈿夥諣t中以2°C /分鐘的升溫速率加熱至600 °C，制得具有粽葉微觀構(gòu)造的碳素陶瓷。圖4所示為制得陶瓷的X衍射圖譜，從饅頭狀衍射峰可知所得陶瓷為碳。圖5所示為制得的碳素陶瓷微觀構(gòu)造的掃描電鏡照片，可見(jiàn)碳素陶瓷很好地遺留了粽葉表面微納米凸起的微觀構(gòu)造，該構(gòu)造對(duì)于碳素陶瓷具有超疏水性能起到關(guān)鍵作用。再將碳素陶瓷在濃度為15%的氟硅烷溶液中浸泡5天后，取出晾干，便制得具有粽葉微觀構(gòu)造的碳素超疏水陶瓷。圖6所示為制得的碳素超疏水陶瓷與水的接觸角，Θ接觸角=158 ，達(dá)到超疏水性。實(shí)施例3
將水稻葉置于70 1烘箱中烘烤干燥72小時(shí)后，置于氬氣氣氛爐中以2 °C/分鐘的升溫速率加熱至500 °C，制得具有水稻葉微觀構(gòu)造的碳素陶瓷。圖7所示為制得陶瓷的X衍射圖譜，從饅頭狀衍射峰可知所得陶瓷為碳。圖8所示為制得的碳素陶瓷微觀構(gòu)造的掃描電鏡照片，可見(jiàn)碳素陶瓷很好地遺留了水稻葉表面微納米凸起的微觀構(gòu)造，該構(gòu)造對(duì)于碳素陶瓷具有超疏水性能起到關(guān)鍵作用。再將碳素陶瓷在濃度為10%的氟硅烷溶液中浸泡7天后，取出晾干，便制得具有水稻葉微觀構(gòu)造的碳素超疏水陶瓷。圖9所示為制得的碳素超疏水陶瓷與水的接觸角，Θ接觸角=159 ，達(dá)到超疏水性。
權(quán)利要求
1.一種燒結(jié)超疏水性植物葉片制備碳素超疏水陶瓷的方法，其特征在于步驟如下 步驟I、以超疏水性植物葉片為原料，將其干燥； 步驟2、將干燥后的植物葉片置于非氧化性氣氛保護(hù)燒結(jié)爐中燒結(jié)，燒結(jié)溫度為大于400°C，升溫速率低于5°C /min，制得具有植物葉片微觀構(gòu)造的碳素陶瓷； 步驟3、將碳素陶瓷放入異丙醇和氟硅烷混合液中浸泡大于3天； 步驟4、將浸泡后的碳素陶瓷取出晾干，便制得具有植物葉片微觀構(gòu)造的碳素超疏水陶瓷。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的燒結(jié)超疏水性植物葉片制備碳素超疏水陶瓷的方法，其特征在于在步驟I中，所述的超疏水性植物葉片優(yōu)選荷葉、水稻葉或粽葉。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的燒結(jié)超疏水性植物葉片制備碳素超疏水陶瓷的方法，其特征在于在步驟I中，所述的干燥采用空氣自然干燥或烘箱中烘烤干燥，所述的烘烤溫度為70 120°C，所述的烘烤干燥時(shí)間為24 72小時(shí)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的燒結(jié)超疏水性植物葉片制備碳素超疏水陶瓷的方法，其特征在于在步驟2中，所述的非氧化性氣氛為氬氣或氮?dú)狻?br> 5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的燒結(jié)超疏水性植物葉片制備碳素超疏水陶瓷的方法，其特征在于在步驟2中，所述的燒結(jié)溫度優(yōu)選500-800°C，升溫速率優(yōu)選I 2V /min。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的燒結(jié)超疏水性植物葉片制備碳素超疏水陶瓷的方法，其特征在于在步驟3中，所述的異丙醇和氟硅烷混合液中氟硅烷占10% 20%體積分?jǐn)?shù)，所述的浸泡時(shí)間優(yōu)選5 7天。
全文摘要
本發(fā)明燒結(jié)超疏水性植物葉片制備碳素超疏水陶瓷的方法，是以超疏水性植物葉片為制備模板，通過(guò)非氧化氣氛保護(hù)燒結(jié)，并用氟硅烷低表面能物質(zhì)加以修飾，制備具有植物葉片表面構(gòu)造的碳素超疏水陶瓷，其步驟為將荷葉、粽葉、水稻葉等超疏水性植物葉片在70～120℃烘箱中烘烤干燥24～72小時(shí)；將干燥后的植物葉片置于氬氣、氮?dú)獾确茄趸詺夥諢Y(jié)爐中以小于5℃/分鐘的升溫速率燒結(jié)至大于400℃，制得具有植物葉片微觀構(gòu)造的碳素陶瓷；將碳素陶瓷在氟硅烷和異丙醇混合溶液中浸泡大于3天后取出晾干。本發(fā)明所制得的碳素超疏水陶瓷很好地遺留植物葉片的微觀構(gòu)造，高程度借鑒自然，具有優(yōu)異的超疏水性能。
文檔編號(hào)C04B41/82GK102976754SQ201210525130
公開(kāi)日2013年3月20日 申請(qǐng)日期2012年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月7日
發(fā)明者王天馳, 常麗靜, 陳 光, 孔嵩, 莊麗敏, 賈陽(yáng) 申請(qǐng)人:南京理工大學(xué)