一种具有纳米树阵列结构的润滑剂注入框架的制备方法

1.本发明涉及一种具有纳米树阵列结构的润滑剂注入框架的制备方法，特别是具有良好物理化学稳定性的高效持久的润滑剂注入表面的制备方法，属于超滑表面制备技术领域。


背景技术：

2.受猪笼草的启发，有许多“润滑剂注入”表面被制备出来实现低粘附性、抗污性和卓越的液体排斥性的光滑表面。其原理是通过在基底上构筑微纳结构和增强基底与润滑剂之间的相互作用力来实现。
3.通过电化学法和水热法制备出纳米树阵列覆盖的框架，随后在框架上注油得到润滑剂注入的光滑表面。由于纳米树阵列微纳结构和聚二甲基硅氧烷与氧化锌纳米线之间形成的共价键zn-o-si的存在，制备的lis具有很好的锁油能力。在经过7000rpm的高剪切速率、室温条件下在室内放置7天、不同ph的酸性溶液等测试之后，制备的润滑剂注入表面仍然具有良好的液滴滑动性能和集水效率。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种简单、方便、绿色的具有纳米树阵列的润滑剂注入框架的制备方法。利用电化学法和水热法制备的润滑剂注入表面能够实现高效的雾水收集。
5.本发明所采用的技术方案是：一种具有纳米树阵列的润滑剂注入框架的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
6.a.去除泡沫铜表面的杂质：将泡沫铜切成20mm*20mmm*1mm 的片，随后分别用去离子水、乙醇、0.4wt％浓度的盐酸溶液超声清洗，去除表面的氧化物杂质，随后用n2干燥；
7.b.氧化铜纳米针覆盖的泡沫铜的制备：配置一定浓度的氢氧化钠naoh、十六烷基三甲基溴化铵c
19h42
brn和去离子水的混合溶液作为电解液，将步骤a中处理得到的泡沫铜作为阳极放入电解液中，然后取铂片作为阴极进行阳极氧化反应，一定时间后泡沫铜的表面就会被氢氧化铜覆盖，随后将得到的氢氧化铜覆盖的泡沫铜置于马弗炉中一段时间后得到氧化铜纳米针覆盖的泡沫铜；
8.c.氧化铜纳米针上生长氧化锌纳米线：将步骤b中得到的泡沫铜浸泡在醋酸锌c4h6o4zn
·
2h2o与乙醇c2h6o的混合溶液中30s，然后放入300℃高温的马弗炉中进行注种，注种后的泡沫铜浸入硝酸锌 zn(no3)2·
6h2o、氨水nh3·
h2o和去离子水的混合溶液中，在90℃的条件下保持5.5h，反应结束后，乙醇清洗，真空干燥；
9.d.润滑剂注入表面的制备：在紫外光照射的条件下，将步骤c 中得到的泡沫铜浸入到润滑剂中，制备出润滑剂注入的表面。
10.优选地，步骤b中，氢氧化钠naoh、十六烷基三甲基溴化铵 c
19h42
brn和去离子水的质量分数配比为：7.382％；0.337％；92.281％。
11.优选地，步骤b中，阳极氧化反应时间为25min。
12.优选地，步骤b中，马弗炉的温度为180℃，反应时间为2h。
13.优选地，步骤c中，醋酸锌c4h6o4zn
·
2h2o与乙醇c2h6o的质量分数配比为：4％；96％。
14.优选地，步骤c中，浸泡在醋酸锌溶液中30s，重复5次。
15.优选地，步骤c中，氨水的浓度为25wt％-28wt％。
16.优选地，步骤c中，硝酸锌zn(no3)2·
6h2o、氨水nh3·
h2o和去离子水的质量分数配比为：0.861％；2.700％；96.439％。
17.优选地，步骤d中，注入的润滑剂是粘度为100cst的二甲基硅油。
18.优选地，步骤d中，在紫外光照射下，聚二甲基硅氧烷接枝到氧化锌的纳米线上，以共价键的方式结合，多余的没有接枝的pdms 作为润滑层。
19.本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明的优点在于：
20.1、制备过程简单，采用的试剂对环境无害
21.2、制备的润滑剂注入表面具有良好的物理化学稳定性
22.3、制备的润滑剂注入表面具有优异的雾水收集性能。
附图说明
23.图1：本发明实施例1在制备过程中不同阶段得到的材料表面的电镜图与接触角图。其中图1a为原始泡沫铜表面，图1bc是氧化铜纳米针覆盖的表面，图1d～i是zno@cuo纳米树阵列覆盖的表面。
24.图2：本发明实施例2中润滑剂注入表面在各种极端条件下的接触角滑动角的变化。其中图2a是润滑剂注入表面在室内室温条件下的放置不同时间的接触角和滑动角变化，图2b是不同剪切速率下水滴在样品表面的接触角和滑动角变化。图2c是不同ph的酸性液滴在润滑剂注入表面的接触角和滑动角，图2d是在不同温度下水滴在润滑剂注入表面的接触角和滑动角变化。
25.图3：本发明实施例3中不同表面雾水收集效率的比较。图3a 是不同样品的雾水收集性能比较，图3b是不同表面上第一滴液滴滑落所需的时间，图3c是在180min内不同表面的集水量变化，图3 de是比较润滑剂注入表面和超疏水表面的雾捕获性能和液滴的长大与去除性能。
具体实施方式
26.为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样在本技术所列权利要求书限定范围之内。
27.实施例1
28.1.去除泡沫铜表面的杂质：将泡沫铜切成20mm*20mmm*1mm 的片，随后分别用去离子水、乙醇、0.4wt％浓度的盐酸溶液超声清洗，去除表面的氧化物杂质，随后用n2干燥。
29.2.氧化铜纳米针覆盖的泡沫铜的制备：配置氢氧化钠(naoh)、十六烷基三甲基溴化铵(c
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brn)和去离子水的质量分数配比为： 7.382％；0.337％；92.281％的混合溶液作为电解液。将步骤1中处理得到的泡沫铜作为阳极放入电解液中，然后取铂片作为阴极进
行阳极氧化反应，25min后泡沫铜的表面就会被氢氧化铜覆盖，随后将得到的氢氧化铜覆盖的泡沫铜置于马弗炉中在180℃反应2h得到氧化铜纳米针覆盖的泡沫铜。
30.3.氧化铜纳米针上生长氧化锌纳米线：将步骤2中得到的泡沫铜浸泡在醋酸锌(c4h6o4zn
·
2h2o)与乙醇(c2h6o)的质量分数配比为4％；96％的混合溶液中30s，重复5次，然后放入300℃高温的马弗炉中进行注种，注种后的泡沫铜浸入硝酸锌、25wt％浓度的氨水和去离子水的混合溶液中，其中硝酸锌(zn(no3)2·
6h2o)、氨水 (nh3·
h2o)和去离子水的质量分数配比为：0.861％；2.700％； 96.439％，在90℃的条件下保持5.5h，反应结束后，乙醇清洗，真空干燥。
31.4.润滑剂注入表面的制备：在紫外光照射的条件下，将泡沫铜浸入到粘度为100cst的二甲基硅油中，制备出润滑剂注入的表面。在紫外光照射下，聚二甲基硅氧烷接枝到氧化锌的纳米线上，以共价键的方式结合，多余的没有接枝的pdms作为润滑层。
32.5：不同阶段材料表面的形貌表征：如图1a所示原始泡沫铜表面光滑平整几乎没有划痕，氧化铜纳米针覆盖的表面均匀的覆盖着大量的纳米针，zno@cuo纳米树覆盖的表面上均匀致密的分布着纳米树。
33.实施例2
34.1.去除泡沫铜表面的杂质：将泡沫铜切成20mm*20mmm*1mm 的片，随后分别用去离子水、乙醇、0.4wt％浓度的盐酸溶液超声清洗，去除表面的氧化物杂质。随后用n2干燥。
35.2.氧化铜纳米针覆盖的泡沫铜的制备：配置氢氧化钠(naoh)、十六烷基三甲基溴化铵(c
19h42
brn)和去离子水的质量分数配比为：7.382％；0.337％；92.281％的混合溶液作为电解液。将步骤1中处理得到的泡沫铜作为阳极放入电解液中，然后取铂片作为阴极进行阳极氧化反应，25min后泡沫铜的表面就会被氢氧化铜覆盖，随后将得到的氢氧化铜覆盖的泡沫铜置于马弗炉中在180℃反应2h得到氧化铜纳米针覆盖的泡沫铜。
36.3.氧化铜纳米针上生长氧化锌纳米线：将步骤2中得到的泡沫铜浸泡在醋酸锌(c4h6o4zn
·
2h2o)与乙醇(c2h6o)的质量分数配比为4％；96％的混合溶液中30s，重复5次，然后放入300℃高温的马弗炉中进行注种，注种后的泡沫铜浸入硝酸锌、28wt％浓度的氨水和去离子水的混合溶液中，其中硝酸锌(zn(no3)2·
6h2o)、氨水 (nh3·
h2o)和去离子水的质量分数配比为：0.861％；2.700％； 96.439％，在90℃的条件下保持5.5h，反应结束后，乙醇清洗，真空干燥。
37.4.润滑剂注入表面的制备：在紫外光照射的条件下，将泡沫铜浸入到粘度为100cst的二甲基硅油中，制备出润滑剂注入的表面。在紫外光照射下，聚二甲基硅氧烷接枝到氧化锌的纳米线上，以共价键的方式结合，多余的没有接枝的pdms作为润滑层。
38.5.在各种极端条件下接触角和滑动角的测试：由图2a可知随着放置时间的延长，水滴在表面的接触角和滑动角逐渐增大，在第七天的时候增加到最大，但是在重新注入润滑剂后，水滴在表面的接触角和滑动角又恢复到初始状态，这表明润滑剂注入表面具有良好的稳定性和可重复使用性。图2b表明随着转速的增大水滴的接触角和滑动角逐渐增大但是最终表面上仍然存在油膜来实现良好的滑动性能。图2cd表明在不同ph的酸性条件和不同的温度条件下，水滴在表面上的接触角和滑动角变化很小没有超过10％，说明表面具有良好的物理化学稳定性。
39.实施例3
40.1.去除泡沫铜表面的杂质：将泡沫铜切成20mm*20mmm*1mm 的片，随后分别用去离子水、乙醇、0.4wt％浓度的盐酸溶液超声清洗，去除表面的氧化物杂质。随后用n2干燥。
41.2.氧化铜纳米针覆盖的泡沫铜的制备：配置氢氧化钠(naoh)、十六烷基三甲基溴化铵(c
19h42
brn)和去离子水的质量分数配比为： 7.382％；0.337％；92.281％的混合溶液作为电解液。将步骤1中处理得到的泡沫铜作为阳极放入电解液中，然后取铂片作为阴极进行阳极氧化反应，25min后泡沫铜的表面就会被氢氧化铜覆盖，随后将得到的氢氧化铜覆盖的泡沫铜置于马弗炉中在180℃反应2h得到氧化铜纳米针覆盖的泡沫铜。
42.3.氧化铜纳米针上生长氧化锌纳米线：将步骤2中得到的泡沫铜浸泡在醋酸锌(c4h6o4zn
·
2h2o)与乙醇(c2h6o)的质量分数配比为4％；96％的混合溶液中30s，重复5次，然后放入300℃高温的马弗炉中进行注种，注种后的泡沫铜浸入硝酸锌、26.5wt％浓度的氨水和去离子水的混合溶液中，其中硝酸锌(zn(no3)2·
6h2o)、氨水 (nh3·
h2o)和去离子水的质量分数配比为：0.861％；2.700％； 96.439％，在90℃的条件下保持5.5h，反应结束后，乙醇清洗，真空干燥。
43.4.润滑剂注入表面的制备：在紫外光照射的条件下，将泡沫铜浸入到粘度为100cst的二甲基硅油中，制备出润滑剂注入的表面。在紫外光照射下，聚二甲基硅氧烷接枝到氧化锌的纳米线上，以共价键的方式结合，多余的没有接枝的pdms作为润滑层。
44.5.雾水收集性能测试：将制备的不同样品置于自制的雾水收集测试装置(出雾流量和速率分别为0.0376g s-1
和16cm s-1
)上。图3 a为不同样品在相同的条件下的雾水收集性能对比，可以看出润滑剂注入表面的集水效率最高可以达到原始泡沫铜表面集水效率的219％。图3b表面在润滑剂注入表面上第一滴液滴滑落所需的时间最少，约为24s。图3c说明在长时间的雾水收集过程中，润滑剂注入表面仍然表现出来良好雾水收集性能。通过图3d和e的对比进一步说明了在长时间的集雾过程中，润滑剂注入表面能够形成连续高效的液滴运动，而超疏水泡沫铜则会随时间的延长而出现液滴的钉扎。
45.总结：本发明受自然界中的猪笼草的启发，对其超滑表面的特点进行仿生设计，通过电化学法和水热法制备出具有纳米树阵列的泡沫铜，随后在表面上注入润滑剂，得到具有纳米树阵列结构的润滑剂注入框架。制备出的超滑表面在雾收集过程中表现出高效的雾捕获，和快速的液滴长大和去除。此外，在极端条件下，仍然能够保持良好的液滴滑动性能。所以，这一具有纳米树阵列结构的润滑剂注入框架在用于雾收集领域有不错的前景。
46.最后应当说明的是，以上内容仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，本领域的普通技术人员对本发明的技术方案进行的简单修改或者等同替换，均不脱离本发明技术方案的实质和范围。