一種超薄氟化石墨烯復(fù)合潤(rùn)滑薄膜的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明屬于一種復(fù)合薄膜的制備方法，具體涉及一種超薄氟化石墨烯復(fù)合潤(rùn)滑薄膜的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]作為兩種成熟的固體潤(rùn)滑材料，聚四氟乙烯與氟化石墨具有優(yōu)良的潤(rùn)滑性能而被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)領(lǐng)域。其中，氟元素的引入導(dǎo)致材料內(nèi)聚能和表面能明顯減小，作用力減弱而使其更易于延展和層間剪切滑動(dòng)，以上特性賦予兩種含氟材料的潤(rùn)滑性能大幅優(yōu)于其無(wú)氟本體聚乙烯和石墨。但隨著器件向微型化、低能耗、高精確度方向的發(fā)展，傳統(tǒng)潤(rùn)滑材料已無(wú)法匹配器件的微小尺寸。作為一種納米級(jí)高強(qiáng)度二維材料，石墨烯的出現(xiàn)促使人們探討其作為潤(rùn)滑材料的可能性。在一系列研究中，石墨烯的確表現(xiàn)出良好的潤(rùn)滑性能。而新興材料氟化石墨烯，作為石墨烯的含氟衍生物，憑借其繼承自本體的機(jī)械強(qiáng)度和由氟化帶來(lái)的高化學(xué)及熱穩(wěn)定性、低表面能、低剪切強(qiáng)度等特性，具有比石墨烯更為優(yōu)良的潤(rùn)滑性能，在固體潤(rùn)滑領(lǐng)域頗具應(yīng)用前景。
[0003]氟元素在賦予氟化石墨烯優(yōu)良性質(zhì)的同時(shí)也帶來(lái)其加工處理困難的難題。其中氟化石墨烯的惰性及低表面能使其難于分散于水系溶劑中進(jìn)行化學(xué)修飾，因而后續(xù)處理成為其應(yīng)用的巨大挑戰(zhàn)。目前已有的化學(xué)氣相沉積與等離子體技術(shù)雖也可直接制備氟化石墨烯薄膜，但相關(guān)設(shè)備復(fù)雜、成本高昂、尺寸有限，并不適合于廣泛且大量應(yīng)用的潤(rùn)滑場(chǎng)合。相關(guān)研究表明羥基與氟基團(tuán)具有相似的極性且互為等電子體。在此啟發(fā)下，認(rèn)為在保留氟元素的基礎(chǔ)上引入極性羥基可有效提升氟化石墨烯的可分散加工性，為其各種應(yīng)用開辟新的有效路徑。為實(shí)現(xiàn)將氟化石墨烯直接粘附于基底上形成固體潤(rùn)滑薄膜這一目的，粘結(jié)層的構(gòu)筑必不可少。在不同的基底上，甚至于聚四氟乙烯表面，多巴胺均可通過(guò)自聚反應(yīng)生成聚多巴胺而表現(xiàn)出優(yōu)異的粘附性能。通過(guò)利用聚多巴胺與處理后的氟化石墨烯兩者之間的高強(qiáng)度結(jié)合，使氟化石墨烯牢固粘附于基底上，從而可以最大程度發(fā)揮其減摩抗磨效果。此外，作為多巴胺的聚合物，聚多巴胺層在連續(xù)滑動(dòng)過(guò)程中，可有效耗散壓力，緩沖對(duì)硅質(zhì)基底的沖擊，從而更好的保護(hù)基底，延長(zhǎng)其服役壽命。
[0004]因此，發(fā)展一種可分散處理的改良氟化石墨烯的新方法，改善其反應(yīng)活性，拓展其應(yīng)用范圍具有顯著的研究意義和實(shí)用價(jià)值。同時(shí)，利用氟化石墨烯的優(yōu)良潤(rùn)滑性能，構(gòu)筑超薄固體潤(rùn)滑薄膜可促進(jìn)這種材料在微納米器件中的進(jìn)一步應(yīng)用研究。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明是為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺點(diǎn)而提出的，其目的是提供一種超薄氟化石墨烯復(fù)合潤(rùn)滑薄膜的制備方法。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案是:
一種超薄氟化石墨烯復(fù)合潤(rùn)滑薄膜的制備方法，包括以下步驟:
(i)氟化石墨烯分散液的制備將氫氧化物加入到有機(jī)溶劑中進(jìn)行攪拌，在攪拌過(guò)程中，加入氟化石墨粉末，將混合液超聲分散至均勻后放入烘箱干燥直至溶劑蒸發(fā)盡;將得到的混合物于180°C加熱4h，然后靜置至室溫，反應(yīng)產(chǎn)物加入水中攪拌分散，再經(jīng)減壓抽濾、洗滌至中性、干燥過(guò)程后得到黑色粉末;將黑色粉末重分散于水-醇混合溶劑中，超聲處理5h，超聲后得到的分散液經(jīng)離心后，所得上清液即為氟化石墨烯分散液；
(? )聚多巴胺粘結(jié)-緩沖層的制備
將單晶硅基片依次進(jìn)行清洗和氨基硅烷修飾處理，然后將其浸于預(yù)先由鹽酸多巴胺溶于三羥甲基氨基甲烷緩沖液得到的弱堿性溶液中，于25°C溫度下反應(yīng)6h~10h，單晶硅基片上得到約20nm厚的聚多巴胺粘結(jié)-緩沖層；
(iii)氟化石墨烯復(fù)合潤(rùn)滑薄膜的制備
將步驟(i)中所得氟化石墨烯分散液旋涂于步驟(? )中單晶硅基片上新制得的聚多巴胺粘結(jié)-緩沖層之上，即得氟化石墨烯復(fù)合潤(rùn)滑薄膜。
[0007]所述步驟(i)中氫氧化物是氫氧化鈉和氫氧化鉀的混合物;所述氫氧化物中氫氧化鈉所占的摩爾分?jǐn)?shù)為50?52%。
[0008]所述步驟(i)中有機(jī)溶劑是甲醇或者乙醇或者異丙醇中的任意一種。
[0009]所述步驟(i)中氟化石墨粉末的粒徑為4μπι?6μπι。
[°01°]所述步驟(i)中有機(jī)溶劑的體積與氫氧化物的質(zhì)量之比為lml: 25mg~50mgo
[0011]所述步驟(i)中反應(yīng)產(chǎn)物與水的比例是I?2mg =ImLo
[0012]所述步驟(i)中水-醇混合溶劑為水-乙醇混合溶劑或者水-異丙醇混合溶劑;水-乙醇混合溶劑中水所占的體積分?jǐn)?shù)為50%；水-異丙醇混合溶劑中，水所占的體積分?jǐn)?shù)為70%
所述步驟(i)中水-醇混合溶劑與黑色粉末的比例是ImL: 0.5?Img。
[0013]所述步驟(?)中弱堿性溶液的pH值為8.5，鹽酸多巴胺的濃度為2mg/mL。
[0014]所述步驟(iii)旋涂過(guò)程中旋涂速率為800-1200r/min;旋涂次數(shù)為5?10次。
[0015]本發(fā)明的有益效果是:
本發(fā)明采用簡(jiǎn)便的熔融堿處理和旋涂方法制備了穩(wěn)定的氟化石墨烯分散液，并將其旋涂使之與硅烷偶聯(lián)劑與聚多巴胺粘結(jié)層復(fù)合得到超薄厚度、均勻連續(xù)分布的減摩耐磨潤(rùn)滑薄膜;潤(rùn)滑薄膜還具有低表面能和低粘著力，并表現(xiàn)出對(duì)氟含量的依賴性;使?jié)櫥∧ぴ跍p摩抗磨、疏水不粘等表面工程方面具有良好的應(yīng)用前景。
【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1為實(shí)施例1所得高氟含量超薄氟化石墨烯復(fù)合潤(rùn)滑薄膜的透射電鏡圖像；
圖2為實(shí)施例1所得高氟含量超薄氟化石墨烯復(fù)合潤(rùn)滑薄膜的能量色散X射線譜(EDX)圖像；
圖3為實(shí)施例5所得低氟含量超薄氟化石墨烯復(fù)合潤(rùn)滑薄膜的透射電鏡圖像；
圖4為實(shí)施例5所得低氟含量超薄氟化石墨烯復(fù)合潤(rùn)滑薄膜的能量色散X射線譜(EDX)圖像；
圖5為實(shí)施例1所得高氟含量超薄氟化石墨烯復(fù)合潤(rùn)滑薄膜和實(shí)施例5所得低氟含量超薄氟化石墨烯復(fù)合潤(rùn)滑薄膜的紅外光譜圖(a為實(shí)施例1，b為實(shí)施例2);
圖6為實(shí)施例1所得氟化石墨烯分散液涂于聚多巴胺粘結(jié)層上的原子力顯微鏡照片； 圖7為實(shí)施例1所得氟化石墨烯分散液直接旋涂于硅烷偶聯(lián)劑層上的原子力顯微鏡照片;
圖8為圖7所得原子力顯微鏡照片上直線對(duì)應(yīng)的表面輪廓圖；
圖9為實(shí)施例1和5的超薄氟化石墨烯復(fù)合潤(rùn)滑薄膜及無(wú)氟化石墨烯覆蓋的空白對(duì)比樣在0.3N載荷下的摩擦系數(shù)隨時(shí)間變化的關(guān)系曲線；
圖10為實(shí)施例1所得超薄氟化石墨烯復(fù)合潤(rùn)滑薄膜的拉曼磨損分析圖，其中(a)為磨痕顯微鏡圖像，(b)為磨痕外處拉曼信號(hào)譜圖，(C)為磨痕內(nèi)所得拉曼信號(hào)譜圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]下面結(jié)合說(shuō)明書附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明一種超薄氟化石墨烯復(fù)合潤(rùn)滑薄膜的制備方法進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明:
一種超薄氟化石墨烯復(fù)合潤(rùn)滑薄膜的制備方法，包括以下步驟:
(i)氟化石墨烯分散液的制備
將氫氧化物加入到有機(jī)溶劑中進(jìn)行攪拌，在攪拌過(guò)程中，加入氟化石墨粉末，將混合液超聲分散至均勻后放入烘箱干燥直至溶劑蒸發(fā)盡;將得到的混合物于180°C加熱4h，然后靜置至室溫，反應(yīng)產(chǎn)物加入水中攪拌分散，再經(jīng)減壓抽濾、洗滌至中性、干燥過(guò)程后得到黑色粉末;將黑色粉末重分散于水-醇混合溶劑中，超聲處理5h，超聲后得到的分散液經(jīng)離心后，所得上清液即為氟化石墨烯分散液；
(? )聚多巴胺粘結(jié)-緩沖層的制備
將單晶硅基片依次進(jìn)行清洗和氨基硅烷修飾處理，然后將其浸于預(yù)先由鹽酸多巴胺溶于三羥甲基氨基甲烷緩沖液得到的弱堿性溶液中，于25°C溫度下反應(yīng)6h~10h，單晶硅基片上得到約20nm厚的聚多巴胺粘結(jié)-緩沖層；
(iii)氟化石墨烯復(fù)合潤(rùn)滑薄膜的制備
將步