本發(fā)明屬于納米材料制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種冷凝時(shí)露滴可自彈跳的碳納米管超疏水涂層的制備方法。

背景技術(shù)：

在日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中，固體表面會(huì)沉積一層灰塵并附有大量的微生物，不僅造成環(huán)境污染，而且容易危害人體健康，具有“荷葉效應(yīng)”的低粘附性超疏水表面具有自清潔、抗污染、防腐蝕等優(yōu)點(diǎn)可以有效解決這一問題；在低溫高濕環(huán)境下，金屬表面容易發(fā)生結(jié)露和結(jié)霜/冰等現(xiàn)象，這樣不僅會(huì)腐蝕金屬表面，減少其使用壽命，甚至造成使用過程重大事故，而且除露、融霜/冰加大生產(chǎn)成本且造成極大的能源浪費(fèi)，根據(jù)國(guó)內(nèi)外研究發(fā)現(xiàn)，具有“荷葉效應(yīng)”的低粘附性超疏水表面具有抗結(jié)露、防霜疏冰等作用，可以有效的應(yīng)用在這一方面，因此制備出可以大量規(guī)模化應(yīng)用、成本低廉的超疏水表面迫在眉睫。

2003年，麻省理工學(xué)院Lau等研究人員最先發(fā)現(xiàn)【Nano Lett2003,3,1701】，陣列碳納米管(高度2μm)超疏水表面冷凝時(shí)，僅在結(jié)構(gòu)頂端形成微米級(jí)球狀微滴，易脫附；而杜克大學(xué)陳傳華等制備的碳納米管(高度400nm)超疏水表面【Appl Phys Lett2007,90,173108.】，露滴則能在結(jié)構(gòu)間隙生長(zhǎng)，難脫附。本課題組數(shù)值模擬結(jié)果表明【Langmuir2014,30,12559】，Lau等制備的納米結(jié)構(gòu)間隙氣流不暢，水汽密度基本不變，形核難以長(zhǎng)大，Cassie態(tài)較為穩(wěn)定；而陳傳華等制備的碳納米管粗糙度不夠，Cassie態(tài)不穩(wěn)定，結(jié)露時(shí)轉(zhuǎn)變成了Wenzel潤(rùn)濕態(tài)。目前大量的研究表明，只有Cassie態(tài)穩(wěn)定的納米超疏水表面，結(jié)露微滴才能生長(zhǎng)在結(jié)構(gòu)頂端，易脫附，如硅納米線【Acs Nano2015,9,71】、氧化銅納米片【Nano Lett2013,13,179】、氧化鋅納米錐【Chem Rev2015,115,8230】、氧化鋁納米棒【Angew Chem Int Edit2016,55,1】，甚至多孔納米顆粒涂層【Acs Nano2015,9,12311；Angew Chem Int Edit2015,54,4876】等。同時(shí)，結(jié)霜試驗(yàn)研究也表明，納米超疏水表面霜晶形核難，且只在結(jié)構(gòu)頂部緩慢生長(zhǎng)；加熱融化時(shí)，霜層在底部霜水“潤(rùn)滑膜”的促進(jìn)下，極易整層滑落/剝落，脫附效率高，且殘留少。

近幾年研究顯示，Cassie態(tài)納米超疏水表面微滴合并釋放的表面能，若足夠滿足微滴粘附和粘性流動(dòng)的能量消耗，合并形成的新微滴會(huì)自驅(qū)彈跳，極易脫落，從而提高了表面的抗露和防霜性能。陣列納米結(jié)構(gòu)超疏水表面粘附力小，容易出現(xiàn)微滴自驅(qū)彈跳現(xiàn)象。但是，現(xiàn)有的冷凝時(shí)露滴能夠自彈的超疏水表面，一直存在制備工藝繁瑣，條件苛刻，難以大面積制備，成本高等問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

技術(shù)問題：本發(fā)明的目的是提供一種碳納米管超疏水涂層的制備方法，本發(fā)明所述方法，只需簡(jiǎn)單工藝，將一定尺寸的羥基碳納米管改性，即可獲得噴涂溶液，然后利用簡(jiǎn)單的涂覆成膜方法，即可獲得具有露滴自彈跳特性的超疏水表面，工藝簡(jiǎn)便、成本低，且基底僅經(jīng)過清潔處理即可，無材質(zhì)、形狀、尺寸等特殊要求，可大規(guī)模施工。

技術(shù)方案：本發(fā)明的一種碳納米管超疏水涂層的制備方法包括下列步驟：

1)噴涂溶液的配制：20～50℃下，將0.2～2份粉末狀多壁碳納米管超聲分散于50～200份異丙醇溶液中，依次加入4～8份去離子水、1～4份氨水，以1000r/min速度攪拌10min后，逐滴加入0.3～1.5份正硅酸四乙酯，以1500r/min攪拌1～2h，向溶液中逐滴加入0.5～2份氟硅烷，攪拌24h～72h，獲得超疏水涂層溶液；

2)碳納米管超疏水涂層的制備：采用噴涂、刷涂、浸涂或旋涂的方法，將超疏水涂層溶液涂覆至清潔后的基片表面，自然晾干后即可獲得碳納米管超疏水涂層。

所述碳納米管為帶有羥基的多壁碳納米管，管徑為2～50nm，長(zhǎng)度在1～30μm之間，羥基含量為5～8％，所述的氟硅烷為碳鏈長(zhǎng)大于5，端基為三乙氧基的長(zhǎng)鏈全氟硅烷。

有益效果：

(1)羥基碳納米管進(jìn)行氟硅烷改性后，可在碳納米管表面接枝長(zhǎng)鏈全氟烷基，顯著降低納米管的表面能，避免團(tuán)聚。

(2)在噴涂溶液中加入正硅酸乙酯和氨水，形成的納米二氧化硅納米顆粒，可與碳納米管搭接或纏繞，提升了納米管涂層的強(qiáng)度，并提高了表面的粗糙度，從而獲得了納米多孔粗糙表面，對(duì)超疏水性的獲得、冷凝時(shí)露滴的彈跳，起到了至關(guān)重要的作用。

(3)本發(fā)明采用的碳納米管具有非常優(yōu)異的導(dǎo)熱和導(dǎo)電特性，采用本發(fā)明所述方法獲得超疏水涂層具有很好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，結(jié)露時(shí)形核速率快，露滴彈跳速度快，有利于從表面快速脫附，從而有效降低表面的露滴殘留量和露滴尺寸，這對(duì)保持表面干燥，提高換熱效率具有重要的意義，在空調(diào)換熱器、集水、海水淡化、冷凝傳熱等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。

(4)現(xiàn)有的具有露滴自彈跳特性的超疏水表面一般需要構(gòu)建陣列納米結(jié)構(gòu)，或利用較復(fù)雜工藝獲得納米多孔表面，本發(fā)明所述方法，只需簡(jiǎn)單工藝，將一定尺寸的羥基碳納米管改性，即可獲得噴涂溶液，然后利用簡(jiǎn)單的涂覆成膜方法，即可獲得具有露滴自彈跳特性的超疏水表面，工藝簡(jiǎn)便、成本低，且基底僅經(jīng)過清潔處理即可，無材質(zhì)、形狀、尺寸等特殊要求，可大規(guī)模施工。

附圖說明

圖1玻璃基底上噴涂法制備碳納米管超疏水涂層的掃描電鏡圖。

圖2水滴在玻璃基底上碳納米管超疏水涂層的靜態(tài)接觸。

圖3銅基底上旋涂法制備碳納米管超疏水涂層的掃描電鏡圖。

圖4銅基底上碳納米管超疏水涂層冷凝結(jié)露自彈跳圖。

圖5水滴在微米陣列硅基底浸漬法制備超疏水涂層的靜態(tài)接觸圖。

具體實(shí)施方式

實(shí)例1：玻璃基底基底噴涂法制備碳納米管超疏水涂層

35℃水浴條件下，將80份無水乙醇、1份氨水、4份去離子水、0.8份多壁碳納米管加入到燒杯中，納米管內(nèi)徑40～50nm，長(zhǎng)度10～30μm，羥基含量為5.58％，超聲分散0.5h，逐滴加入0.5份的正硅酸四乙酯到溶液中，反應(yīng)1h；最后將1份氟硅烷滴加到溶液中，攪拌24h，獲得超疏水涂層溶液，將溶液噴涂在清洗過的玻璃基底上，室溫晾干即可獲得碳納米管超疏水涂層，表面形貌如圖1所示，水滴在其上的靜態(tài)接觸角如圖2所示，接觸角為160.3°。

實(shí)例2：銅基底旋涂法制備碳納米管超疏水涂層

30℃水浴條件下，將130份無水乙醇、2.5份氨水、6份去離子水、1份多壁碳納米管加入到燒杯中，納米管內(nèi)徑2～5nm，長(zhǎng)度10～30μm，羥基含量為5％，超聲分散1h，逐滴加入0.8份的正硅酸四乙酯到溶液中，反應(yīng)1.2h；最后將1份氟硅烷滴加到溶液中，攪拌36h，獲得超疏水涂層溶液，將溶液旋涂在清洗過的銅基底上，室溫晾干即可獲得碳納米管超疏水涂層，表面形貌如圖3所示，冷凝結(jié)露自彈跳如圖4所示，將碳納米管直接用氟硅烷改性的溶液直接涂敷在基片上雖然也可以獲得超疏水性，但低溫高濕冷凝情況下，液滴粘附性大且只是合并生長(zhǎng)而沒有彈跳現(xiàn)象，不利于液滴的脫附。

實(shí)例3：微米陣列硅基底浸漬法制備碳納米管超疏水涂層

45℃水浴條件下，將160份無水乙醇、4份氨水、7份去離子水、1.5份多壁碳納米管加入到燒杯中，納米管內(nèi)徑2～5nm，長(zhǎng)度1～3μm，羥基含量為8％，超聲分散1h，逐滴加入1.2份的正硅酸四乙酯到溶液中，反應(yīng)1.5h；最后將1.5份氟硅烷滴加到溶液中，攪拌58h，獲得超疏水涂層溶液，將清洗過的微米硅柱基底基底浸漬到溶液中，取出吹干，重復(fù)3～5次，室溫晾干即可獲得碳納米管超疏水涂層，水滴在其水滴在其上的靜態(tài)接觸如圖5所示，接觸角為159.9°。

實(shí)例4：聚四氟乙烯板刷涂法制備碳納米管超疏水涂層

40℃水浴條件下，將200份無水乙醇、4份氨水、8份去離子水、1.8份多壁碳納米管加入到燒杯中，納米管內(nèi)徑40～50nm，長(zhǎng)度10～30μm，羥基含量為6％，超聲分散2h，逐滴加入1.2份的正硅酸四乙酯到溶液中，反應(yīng)2h；最后將2份氟硅烷滴加到溶液中，攪拌68h，獲得超疏水涂層溶液，將溶液刷涂在聚四氟乙烯板上，室溫晾干即可獲得碳納米管超疏水涂層。