一种耐久型超疏水碳纳米管薄膜复合材料的制备方法

1.本发明属于超疏水材料制备领域，特别涉及一种耐久型超疏水碳纳米管薄膜复合材料的制备方法。


背景技术：

2.为了适应快速发展的柔性和可穿戴电子产品或设备，轻量化、防水自清洁等具有突出新颖性能的材料不断开发出来。在碳纳米管薄膜上构建超疏水涂层是获得防水表面的重要途径。但由于涂层的机械强度较差，涂层与基体的附着力较弱，在机械载荷作用下极易失去涂层的超疏水性。中国专利201910753949.1提供了一种导电超疏水碳纳米管/聚合物柔性薄膜的制备方法，在碳纳米管薄膜的上表面喷涂热塑性弹性体tpe溶液，下表面通过固化方式制备了聚二甲基硅氧烷疏水层，再与硅橡胶弹性体复合，制备出多层碳纳米管/聚合物复合薄膜。sio2/pdms复合透明超疏水涂层的制备与性能研究(化工新型材料，2017，45，6:227-229)公开了在玻璃基片上旋涂硅橡胶溶液，然后再多次旋涂sio2分散液，最后固化得到sio2/pdms复合涂层。但是上述方法制备得到的材料只具有超疏水表面，并不能都达到耐磨的效果，表面的超疏水材料通过耐久性实验会被轻易的破坏。


技术实现要素：

3.本发明提供了一种耐久型超疏水碳纳米管薄膜复合材料的制备方法，拓展了碳纳米管薄膜在防水领域的应用，保持碳纳米管薄膜柔韧性与力学性能的同时，能够在不同曲面、不同环境下保持良好的疏水性。
4.本发明以简便工艺和极低的成本提供了一种耐久型超疏水碳纳米管薄膜复合材料的制备方法，包括以下步骤：
5.步骤一：对碳纳米管薄膜基底进行预处理，将长条型碳纳米管薄膜放入不锈钢盘上并用铜片压住，防止抽真空时被吸进去，再放入等离子清洗腔室进行清洗，去除表面杂质。
6.优选的，所述的等离子清洗功率为70w，清洗时间为120s。
7.步骤二：将聚二甲基硅氧烷(pdms)与固化剂溶解在正己烷中，进行超声处理，形成预制层pdms，用于粘接碳纳米管薄膜基底与超疏水涂层。
8.优选的，所述的pdms与固化剂的质量比为10:1，超声处理时间为30min。
9.步骤三：将纳米二氧化硅颗粒分散在正己烷中，进行超声处理，然后加入十八烷基三氯硅烷，并在常温水浴中进行搅拌，制成溶液a；
10.优选的，所述的纳米二氧化硅颗粒的尺寸为20
±
10nm，超声处理时间为20min，纳米二氧化硅与十八烷基三氯硅烷的质量比为8:5，水浴搅拌时间为2h。
11.步骤四：称取适量pdms与固化剂，溶于上述溶液a中，超声处理，再进行磁力搅拌，制成溶液b。
12.优选的，所述的pdms与固化剂的质量比为10:1，所述的超声处理时间为30min，磁
力搅拌时间为2h。
13.步骤五：将步骤二得到的预制层pdms涂覆在预处理后的碳纳米管薄膜基底上进行预固化，然后在其表面喷涂步骤四得到的溶液b，并放入烘箱进行固化，固化完成后得到耐久型超疏水碳纳米管薄膜复合材料。
14.优选的，所述的预固化温度为80℃，时间为20min；所述的固化温度为100℃，时间为2h。
15.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
16.1，本发明制备的碳纳米管复合薄膜具有薄膜材料的轻质柔性可折叠性，同时在弯曲和扭转等机械变形状态下也能保持耐久超疏水性。
17.2，本发明提供的制备方法简单，成本低，制备周期短。
18.3，本发明拓展了碳纳米管薄膜材料在柔性电子防水的的应用领域，加强碳纳米材料超疏水表面在工业中的应用基础研究，满足更高的应用需求。
附图说明：
19.图1为耐久型超疏水碳纳米管薄膜复合材料的制备工艺示意图；
20.图2为实施例1制备的样品的柔性(a)与疏水性(b)的展示图；
21.图3为实施例1与对比例1制备的样品实物对照图；
22.图4为实施例1制备的样品的胶带剥离耐久性能测试图；
23.图5为实施例1制备的样品的水洗实验耐久性能测试图；
24.图6为实施例1制备的样品的水滴实验耐久性能测试图；
25.图7为实施例1与对比例1制备的样品的摩擦实验对比。
具体实施方式
26.下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明保护范围并不限于所述内容。
27.实施例1
28.s1，对碳纳米管薄膜基底进行预处理：将长条型碳纳米管薄膜放入不锈钢盘上，用铜片压住防止抽真空时被吸进去，放入等离子清洗腔室进行清洗，等离子清洗功率为70w，时间为120s。
29.s2：将0.5gpdms胶粘剂与0.05g固化剂溶解在4.5g正己烷中，进行超声处理，处理时间为30min，形成预制层pdms，用于粘结基底与涂层。
30.s3：称取0.4g纳米二氧化硅溶于12ml正已烷中，超声处理20min，加入0.25g十八烷基三氯硅烷，在常温水浴中磁力搅拌2h，记作溶液a。
31.s4：再称取1gpdms与0.1g固化剂溶于上述溶液a中，超声处理30min，磁力搅拌2h，磁力搅拌结束后得到溶液b。
32.s5：将制备好的预制层pdms涂覆在碳纳米管薄膜基底上进行预固化，预固化温度为80℃，预固化时间为20min。然后在其表面喷涂上述溶液b，并送入烘箱进行固化，固化温度为100℃，固化时间为2h，固化完成得到耐久型超疏水碳纳米管薄膜复合材料。
33.经过测试，该耐久型超疏水碳纳米管薄膜复合材料的表面接触角为157
°
，滚动角
为0
°
。
34.对比例1
35.s1，对碳纳米管薄膜基底进行预处理：将长条型碳纳米管薄膜放入不锈钢盘上，用铜片压住防止抽真空时被吸进去，放入等离子清洗腔室进行清洗，等离子清洗功率为70w，时间为120s。
36.s2：称取0.4g纳米二氧化硅溶于12ml正已烷中，超声处理20min，加入0.25g十八烷基三氯硅烷，在常温水浴中磁力搅拌2h，记作溶液a。
37.s3：再称取1gpdms与0.1g固化剂溶于上述溶液a中，超声处理30min，磁力搅拌2h，磁力搅拌结束后得到溶液b。
38.s4：将上述溶液b涂覆在碳纳米管薄膜基底上进行固化，固化温度为100℃，固化时间为2h，固化完成得到耐久型超疏水碳纳米管薄膜复合材料。
39.图3为实施例1与对比例1制备的样品实物对照图，从图中可以看出，对比例1制备的样品因未添加pdms预制层，其表面有裂隙，容易脱落，而实施例1制备的样品因添加了pdms预制层，利用其粘附作用，表面颗粒粘接在一起使得表面平整光滑。
40.对实施例1制备得到的耐久型超疏水碳纳米管薄膜复合材料进行胶带剥离实验，具体方法为：以200g砝码在3m胶带表面滚动为一个对样品施加的恒力，在每10次剥离循环值周进行1次疏水涂层的接触角与滚动角的测量，以上操作重复10次，研究胶带剥离对超疏水涂层的疏水性的影响。如图4所示，超疏水涂层的接触角会发生小幅度减小，滚动角明显增大，说明经过多次胶带剥离后，涂层仍可以保持较高的疏水性。
41.对实施例1制备得到的耐久型超疏水碳纳米管薄膜进行耐水洗实验，具体方法为：在100ml烧杯中加入50ml的去离子水，并加入5g皂粉，用玻璃棒搅拌使皂粉完全溶解在去离子水中。随后将制备得到的耐久型超疏水碳纳米管薄膜复合材料放入含有皂粉溶液的烧杯中进行磁力搅拌。如图5所示，随着洗涤时间的增加，超疏水涂层的接触角会发生小幅度减小，滚动角明显增大，说明经过长时间洗涤后，涂层仍可以保持较高的疏水性。
42.对实施例1制备得到的耐久型超疏水碳纳米管薄膜复合材料进行水滴实验，具体方法为：将耐久型超疏水碳纳米管薄膜复合材料固定于载玻片上，并将载玻片倾斜30
°
放置，水流从30cm高处落下，速度为3滴/s，通过测量接触角的变化观察超疏水涂层的耐久性。如图6所示，当经过5h的水流冲刷后，接触角基本在1
°
左右浮动，经过8h的水流冲刷，涂层仍能保持超疏水性能，滴落在涂层表面的水滴会迅速脱离涂层表面。
43.为了验证耐久型超疏水碳纳米管薄膜复合材料的耐摩擦性能，对其进行摩擦实验，样品a为对比例1制备的未添加pdms预制层的疏水碳纳米管薄膜复合材料，样品b为实施例1制备的添加预制层pdms的耐久型超疏水碳纳米管薄膜复合材料。具体方法为：使用100g的砝码将带有样品a、样品b的玻璃载玻片按压在1000目砂纸上。然后在外力作用下将其缓慢向前推动15cm，再将样品旋转90
°
，重复上述步骤，该过程被定义为一个磨损循环。从图7可以看出，在经过五次的磨损循环以后，样品a表面的超疏水涂层已经被破坏，而含有pdms预制层的样品b依旧可以保持完整性，表面超疏水涂层未遭到破坏，双层结构协同作用可以提高耐摩擦性能。

技术特征：
1.一种耐久型超疏水碳纳米管薄膜复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：对碳纳米管薄膜基底进行预处理，将长条型碳纳米管薄膜放入不锈钢盘上固定，再放入等离子清洗腔室进行清洗，去除表面杂质；步骤二：将聚二甲基硅氧烷与固化剂溶解在正己烷中，进行超声处理，形成预制层聚二甲基硅氧烷；步骤三：将纳米二氧化硅颗粒分散在正己烷中，进行超声处理，然后加入十八烷基三氯硅烷，并在常温水浴中进行搅拌，制成溶液a；步骤四：称取适量聚二甲基硅氧烷与固化剂，溶于上述溶液a中，超声处理，再进行磁力搅拌，制成溶液b；步骤五：将步骤二得到的预制层聚二甲基硅氧烷涂覆在预处理后的碳纳米管薄膜基底上进行预固化，然后在其表面喷涂步骤四得到的溶液b，并放入烘箱进行固化，固化完成后得到耐久型超疏水碳纳米管薄膜复合材料。2.根据权利要求1所述的耐久型超疏水碳纳米管薄膜复合材料的制备方法，其特征在于，步骤一所述的等离子清洗功率为70w，清洗时间为120s。3.根据权利要求1所述的耐久型超疏水碳纳米管薄膜复合材料的制备方法，其特征在于，步骤二所述的聚二甲基硅氧烷与固化剂的质量比为10:1，超声处理时间为30min。4.根据权利要求1所述的耐久型超疏水碳纳米管薄膜复合材料的制备方法，其特征在于，步骤三所述的纳米二氧化硅颗粒的尺寸为20
±
10nm，超声处理时间为20min，纳米二氧化硅与十八烷基三氯硅烷的质量比为8:5，水浴搅拌时间为2h。5.根据权利要求1所述的耐久型超疏水碳纳米管薄膜复合材料的制备方法，其特征在于，步骤四所述的聚二甲基硅氧烷与固化剂的质量比为10:1，所述的超声处理时间为30min，磁力搅拌时间为2h。6.根据权利要求1所述的耐久型超疏水碳纳米管薄膜复合材料的制备方法，其特征在于，步骤五所述的预固化温度为80℃，时间为20min；所述的固化温度为100℃，时间为2h。

技术总结
本发明属于超疏水材料制备领域，具体涉及一种耐久型超疏水碳纳米管薄膜复合材料的制备方法。本发明通过在等离子清洗后的碳纳米管薄膜基底和超疏水涂层之间插入PDMS预制层，制备了基于PDMS和SiO2纳米颗粒的超疏水涂层。在热固化交联反应中，PDMS包裹的SiO2纳米颗粒部分嵌入未完全固化的PDMS预制层中，制备得到的超疏水材料表现出优异的力学稳定性。这种方法实现的超疏水材料成本低，不需要复杂的加工过程，可以保持碳纳米管薄膜的柔性，拓展了碳纳米管薄膜材料的应用领域，加强碳纳米材料超疏水表面在工业中的应用基础研究，满足更高的应用需求。用需求。


技术研发人员：郭广德 弓晓晶
受保护的技术使用者：常州大学
技术研发日：2023.06.20
技术公布日：2023/9/20