一種無氟、無硅新型超疏水炭材料的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及新型炭材料制備技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種無氟、無娃新型超疏水炭材料的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]奧妙無窮的大自然為仿生技術(shù)的發(fā)展提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。仿荷葉和蟬翅微結(jié)構(gòu)制備的超疏水表面，在自清潔、抗腐蝕、流體減阻、抗冰等領(lǐng)域有著潛在的應用價值。隨著表面科學技術(shù)和材料微納米分析測試技術(shù)的發(fā)展，科學家們對超疏水現(xiàn)象的研宄逐漸深入。研宄表明，超疏水表面的低表面能物質(zhì)和乳突狀的微納米多尺度分級結(jié)構(gòu)是形成超疏水的兩個決定性因素，同時，微納分級結(jié)構(gòu)對材料表面的自清潔作用等超疏水性能起著關(guān)鍵作用。
[0003]目前，仿生構(gòu)筑超疏水表面的研宄十分活躍，主要有兩種構(gòu)筑途徑:一是在低表面能材料表面構(gòu)建微納多尺度分級結(jié)構(gòu)；二是在微納米多尺度分級結(jié)構(gòu)表面用低表面能物質(zhì)進行改性。超疏水表面制備中常用的低表面能改性物質(zhì)有含氟聚合物、硅烷等，但是含氟類和含硅類物質(zhì)合成條件苛刻，成本較高，而且對人體健康和環(huán)境都有危害，不適于長期大面積接觸，所以限制了大規(guī)模的實際應用。因此，制備無氟、無硅環(huán)境友好型超疏水材料受到廣泛關(guān)注。超疏水材料的仿生制備方法主要有模板法、化學刻蝕法、靜電紡絲法、相分離法、晶體生長法、等離子體處理法、物理或化學氣相沉積法、自組裝法、水熱反應法、溶膠-凝膠法等，相比之下，水熱合成法是一種低成本、環(huán)境友好、低能耗和快速的制備方法。經(jīng)過國內(nèi)外文獻檢索，目前仍未見報道采用溫和的水熱合成法制備無氟、無硅新型超疏水炭材料。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，而提供一種無氟、無硅新型超疏水炭材料的制備方法。
[0005]本發(fā)明是通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
一種無氟、無娃新型超疏水炭材料的制備方法，包括如下步驟:
(1)首先，在30°C恒溫水浴中，配置質(zhì)量濃度為40?68wt.%糖溶液，然后取上述糖溶液并加入到水熱反應釜的聚四氟乙烯內(nèi)襯中，再加入含硼固體酸，攪拌10?24h ;其中，含硼固體酸的加入質(zhì)量為糖溶液中溶質(zhì)質(zhì)量的3?6wt.% ；
(2)待攪拌完畢后密封，然后將反應釜放入鼓風干燥箱的恒溫區(qū)以5?10°C/min升溫至140?200°C，之后恒溫I?5h，恒溫完畢待其冷卻后打開反應釜，進行后處理；
(3)將步驟(2)所得的產(chǎn)物，經(jīng)破碎后裝入瓷坩禍，放入馬弗爐中進行高溫熱處理，熱處理分為三個階段:升溫至100?150°C，恒溫0.5?2.0h ;然后升溫至300?500°C，恒溫I?2h ;再升溫至700?1000°C，恒溫I?3h ;最后自然冷卻降至室溫，待用；
(4)將步驟(3)所得到的產(chǎn)物分散于去離子水中，超聲分散10?30min，然后在室溫下陳化5?1h后，進行過濾、分離、洗滌和干燥，最后即得到所述的無氟、無硅新型超疏水炭材料。
[0006]進一步的，所述的糖溶液為葡萄糖溶液、蔗糖溶液、淀粉溶液，糖溶液可以是上述三種溶液中的任意一種，也可以是以任意比例混合的幾種；所述的含硼固體酸為硼酸、苯硼酸、萘硼酸，含硼固體酸可以是上述三種中的任意一種。
[0007]本發(fā)明將仿生超疏水技術(shù)應用于構(gòu)筑超疏水碳結(jié)構(gòu)中，以在高濃度的糖溶液中加入含硼固體酸，經(jīng)一步水熱反應和高溫熱處理后得到具有微納分級結(jié)構(gòu)的炭材料。本發(fā)明以三種不同的碳前驅(qū)體作為制備具有微納分級碳結(jié)構(gòu)的碳源，如葡萄糖、蔗糖、淀粉；同時以三種不同含硼化合物為石墨化催化劑，如硼酸、苯硼酸、萘硼酸。
[0008]通過本發(fā)明中附圖，如圖2?3，能夠更加清晰看出本發(fā)明中通過仿生構(gòu)筑的超疏水炭材料中的微納分級結(jié)構(gòu)；圖2是本發(fā)明中超疏水炭材料的掃描電鏡照片，圖3是本發(fā)明中超疏水炭材料的透射電鏡照片；進一步通過X射線衍射技術(shù)對本發(fā)明中超疏水炭材料進行分析，如圖4所示，表明本發(fā)明中制備的超疏水炭材料僅有碳組成，沒有氟化物和硅化物。圖5顯示了本發(fā)明中制備的無氟、無硅新型超疏水炭材料接觸角，通過對本發(fā)明中制備的炭材料的接觸角的檢測，證明了所制備的炭材料具有超疏水特性。
[0009]本發(fā)明的有益效果為:
1)本發(fā)明工藝簡單、生產(chǎn)周期短、見效快、低成本、環(huán)境友好、低能耗，且以自然界超疏水表面結(jié)構(gòu)為目標，在水熱反應的體系中，以在高濃度的糖溶液中加入含硼固體酸為前驅(qū)體，經(jīng)一步水熱反應和高溫熱處理后得到具有微納分級結(jié)構(gòu)的炭材料；
2)本發(fā)明制備得到的超疏水炭材料接觸角大于150°，具有超疏水性能，作為超疏水涂層材料，在自清潔、抗腐蝕、流體減阻、抗冰等領(lǐng)域有著潛在的應用價值，且無氟、無硅，是一種新型環(huán)境友好型材料。
【附圖說明】
[0010]圖1是本發(fā)明制備方法的流程圖。
[0011]圖2是本發(fā)明中制備的無氟、無硅新型超疏水炭材料掃描電鏡圖片。
[0012]圖3是本發(fā)明中制備的無氟、無硅新型超疏水炭材料透射電鏡圖片。
[0013]圖4是本發(fā)明中制備的無氟、無娃新型超疏水炭材料XRD譜圖。
[0014]圖5是本發(fā)明中制備的無氟、無娃新型超疏水炭材料接觸角。
【具體實施方式】
[0015]實施例1
一種無氟、無娃新型超疏水炭材料的制備方法，包括如下步驟:
(1)首先，在30°c恒溫水浴中，配置質(zhì)量濃度為40wt.%糖溶液，然后取上述糖溶液并加入到水熱反應釜的聚四氟乙烯內(nèi)襯中，再加入含硼固體酸，攪拌1h ;其中，含硼固體酸的加入質(zhì)量為糖溶液中溶質(zhì)質(zhì)量的3wt.% ；
(2)待攪拌完畢后密封，然后將反應釜放入鼓風干燥箱的恒溫區(qū)以5°C/min升溫至140°C，之后恒溫lh，恒溫完畢待其冷卻后打開反應釜，進行后處理；
(3)將步驟(2)所得的產(chǎn)物，經(jīng)破碎后裝入瓷坩禍，放入馬弗爐中進行高溫熱處理，熱處理分為三個階段:升溫至100°C后，恒溫0.5h ;繼續(xù)升溫至300°C，恒溫Ih ;繼續(xù)升溫至700°C，恒溫Ih ;最后自然冷卻降至室溫，待用；
(4)將步驟(3)所得到的產(chǎn)物分散于去離子水中，超聲分散lOmin，然后在室溫下陳化5h后，進行過濾、分離、洗滌和干燥，最后即得到所述的新型超疏水炭材料。
[0016]進一步的，所述的糖溶液為葡萄糖溶液，含硼固體酸為硼酸。
[0017]實施例2
一種無氟、無娃新型超疏水炭材料的制備方法，包括如下步驟:
(1)首先，在30°C恒溫水浴中，配置質(zhì)量濃度為45wt.%糖溶液，然后取上述糖溶液并加入到水熱反應釜的聚四氟乙烯內(nèi)襯中，再加入含硼固體酸，攪拌12h ;其中，含硼固體酸的加入質(zhì)量為糖溶液中溶質(zhì)質(zhì)量的4wt.% ；
(2)待攪拌完畢后密封，然后將反應釜放入鼓風干燥箱的恒溫區(qū)以6°C/min升溫至1600C，之后恒溫3h，恒溫完畢待其冷卻后打開反應釜，進行后處理；
(3)將步驟(2)所得的產(chǎn)物，經(jīng)破碎后裝入瓷坩禍，放入馬弗爐中進行高溫熱處理，熱處理分為三個階段:升溫至120°C后，恒溫Ih ;繼續(xù)升溫至450°C，恒溫1.5h ;繼續(xù)升溫至800°C，恒溫1.5h ;最后自然冷卻降至室溫，待用；
(4)將步驟(3)所得到的產(chǎn)物分散于去離子水中，超聲分散15min，然后在室溫下陳化6.5h后，進行過濾、分離、洗滌和干燥，最后即得到所述的新型超疏水炭材料。
[0018]進一步的，所述的糖溶液為蔗糖溶液；所述的含硼固體酸為苯硼酸。
[0019]實施例3
一種無氟、無娃新型超疏水炭材料的制備方法，包括如下步驟:
(1)首先，在30°C恒溫水浴中，配置質(zhì)量濃度為56wt.%糖溶液，然后取上述糖溶液并加入到水熱反應釜的聚四氟乙烯內(nèi)襯中，再加入含硼固體酸，攪拌18h ;其中，含硼固體酸的加入質(zhì)量為糖溶液中溶質(zhì)質(zhì)量的5wt.% ；
(2)待攪拌完畢后密封，然后將反應釜放入鼓風干燥箱的恒溫區(qū)以6.50C /min升溫至180°C，之后恒溫3.5h，恒溫完畢待其冷卻后打開反應釜，進行后處理；
(3)將步驟(2)所得的產(chǎn)物，經(jīng)破碎后裝入瓷坩禍，放入馬弗爐中進行高溫熱處理，熱處理分為三個階段:升溫至130°C后，恒溫1.5h ;繼續(xù)升溫至480°C，恒溫2h ;繼續(xù)升溫至900°C，恒溫2h ;最后自然冷卻降至室溫，待用；
(4)將步驟(3)所得到的產(chǎn)物分散于去離子水中，超聲分散10?20min，然后在室溫下陳化8h后，進行過濾、分離、洗滌和干燥，最后即得到所述的新型超疏水炭材料。
[0020]進一步的，所述的糖溶液為淀粉溶液；所述的含硼固體酸為萘硼酸。
[0021]實施例4
一種無氟、無娃新型超疏水炭材料的制備方法，包括如下步驟:
(1)首先，在30°C恒溫水浴中，配置質(zhì)量濃度為65wt.%糖溶液，然后取上述糖溶液并加入到水熱反應釜的聚四氟乙烯內(nèi)襯中，再加入含硼固體酸，攪拌24h;其中，含硼固體酸的加入質(zhì)量為糖溶液中溶質(zhì)質(zhì)量的6wt.% ；
(2)待攪拌完畢后密封，然后將反應釜放入鼓風干燥箱的恒溫區(qū)以10°C/min升溫至2000C，之后恒溫4h，恒溫完畢待其冷卻后打開反應釜，進行后處理；
(3)將步驟(2)所得的產(chǎn)物，經(jīng)破碎后裝入瓷坩禍，放入馬弗爐中進行高溫熱處理，熱處理分為三個階段:升溫至150°C后，恒溫2.0h ;繼續(xù)升溫至500°C，恒溫2h ;繼續(xù)升溫至1000°C，恒溫3h ;最后自然冷卻降至室溫，待用；
(4)將步驟(3)所得到的產(chǎn)物分散