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石墨烯基超疏水材料制备及其应用研究进展(2)
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摘要：在Cassie模型下，由于部分液体和空气气垫接触，因而抑制了水滴流动阻力，有利于水滴的滚动. 自清洁性超疏水表面即是基于Cassie模型制备的. 通常，水滴
在Cassie模型下，由于部分液体和空气气垫接触，因而抑制了水滴流动阻力，有利于水滴的滚动. 自清洁性超疏水表面即是基于Cassie模型制备的.
通常，水滴置于一个粗糙的固体表面上时，既可能发生Wenzel模型接触，也可能发生Cassie模型接触，但由于2种模型均为理想状态下的模拟情况，而事实上水滴会自主以接触能量低的方式在表面达到稳定接触状态，形成Wenzel-Cassie共存模型，如图1（d）. 并且，在实际问题中，固液相接触时有从Cassie向Wenzel模型的转化趋势，但由Wenzel向Cassie模型转变则比较困难[23].
2 石墨烯基超疏水表面制备方法
目前，构筑石墨烯基超疏水表面的方法主要有2种，一是在疏水材料（石墨烯材料）表面上构建粗糙的微纳结构，二是在粗糙的微纳结构表面接枝低表面能物质（石墨烯）进行改性[24]. 现有的石墨烯基超疏水表面制备技术主要有表面修饰法、沉积改性法、激光诱导法、涂覆法、层层自组装法[25-29]等. 下面将对各种制备技术进行一一阐述.
2.1 表面修饰法
表面修饰法是以具有一定微纳结构或粗糙度的基材为基础，通过在基材表面接枝低表面能物质，以达到降低表面能的目的. 表面修饰法是制造超疏水表面的常用方法，在基于石墨烯的超疏水表面制备方面已有较多的研究进展，其中以将石墨烯材料作为低表面能改性物质、以石墨烯材料作为基材和将石墨烯材料作为改性填料3个方向是目前研究的热点.
将石墨烯材料作为低表面能物质直接对已有粗糙表面改性，是最直接的石墨烯超疏水表面构筑方式. 刘海东等[30]将改性氧化石墨烯接枝到聚氨酯泡沫上，利用改性氧化石墨烯中的伯氨基团与聚氨酯泡沫上的腈基进行原位接枝反应，制得石墨烯改性的聚氨酯泡沫超疏水泡沫. 经测试，水接触角可达166.2°，且对聚氨酯泡沫的稳定性有较大提升. Mo等[31]在氧化石墨烯表面移植嫁接双氨基-聚二甲基硅氧烷（NH2-PDMS-NH2）桥状大分子，形成弧形聚二甲基硅氧烷大分子桥接石墨烯（GO-g-Arc PDMS），形成过程如图2（a）所示，其结构如图2（c）所示，制备出石墨烯基超疏水表面，其水接触角可达153.4°，滚动角为8.5°，展现出良好的超疏水特性. Liao等[32]将聚氨酯纤维表面接枝不同含量的改性3-巯基丙基三甲氧基硅烷（MPTMS）氧化石墨烯和乙烯基聚二甲基硅氧烷（V-PDMS），制备出超疏水mGO/PDMS杂化涂层.纤维表面呈现出微纳结构和分层粗糙度，如图3所示，随着氧化石墨烯比例的升高，静态水接触角先升高后降低，最高达157°，其呈现出优异的超疏水性能. 将石墨烯材料作为基材进行改性以构筑超疏水表面，为石墨烯基超疏水材料的构建提供了新的方向. He等[33]将疏水性Fe3O4纳米颗粒锚固到石墨烯表面，开发了三维超疏水/亲油材料.该材料水接触角为 164.°，油接触角 0°，当该材料服役于严苛的强腐蚀性/盐溶液、有机溶剂和高温/低温系统中，呈现出优异且稳定的超疏水性能.
图2 （a）NH2-PDMS-NH2与GO分子链之间反应形成PDMS桥状结构示意图；GO（b）和GO-g-Arc-PDMS（c）的表面原子力显微镜高度图[31]Fig.2 (a) Reaction between GO and NH2-PDMS-NH2macromolecular chains to form arc-like PDMS bridge architecture surface; AFM height images for GO (b) and GO-g-Arc PDMS (c)[31]
图3 不同质量比的mGO/PDMS复合涂层在聚氨酯纤维上的扫描电镜图[32]. （a）0；（b）0.1；（c）0.25；（d）0.5Fig.3 SEM of mGO/PDMS hybrid coating on polyester fabrics with different mass ratios[32]: (a) 0; (b) 0.1; (c) 0.25; (d) 0.5
此外，由于石墨烯特殊的片层状结构，将石墨烯作为填料制备成疏水涂层已成为目前研究的热点. Saharudin等[34]将石墨烯，氧化石墨烯和经甲氧基三甲基硅烷修饰的氧化石墨烯分别作为填料制备成超疏水涂层. 当填料为石墨烯时，其呈现出优异的超疏水性能，其接触角为162°. 通过上述研究表明，将石墨烯进行改性修饰处理后，均可有效提高石墨烯材料的疏水性能.
2.2 沉积改性法
沉积改性法指利用物理、化学或电化学方法在基体表面沉积一层具有微纳结构的表面材料，并采用多种方法尽可能降低所构筑表面的自由能，使之成为超疏水表面的方法. 其中，电化学沉积和化学沉积以其沉积稳定性强、成本低和操作简单等特点而被广泛研究.
电化学沉积是通过阴极发生的还原反应，在样品表面沉积一层金属及其氧化物，以满足超疏水表面所需的粗糙度. 以电化学沉积为基础，在电解液中加入石墨烯材料，可将石墨烯引入沉积层中形成复合涂层制备出石墨烯基超疏水表面. Tang等[35]通过电化学技术将石墨烯沉积到如图4（a）所示的不锈钢网表面，通过优化网径大小调控表面的润湿性，形成树枝状仿生学表面的石墨烯基超疏水材料，如图4（b）所示，其修饰后网面的水接触角大于150°. Bai与Zhang[36]基于松果形结构，采用镍预沉积和高电流相结合的电化学沉积方法，在不锈钢基底上制备出具有松果样微纳结构的新型氧化石墨烯（rGO/Ni）复合涂层，如图4（c）和（d）所示，该涂层具有良好的超疏水特性，其静态水接触角为 162.°，滚动角为 2.°. Ding 等[37]通过电化学沉积技术在低碳钢表面制备了具有分层结构的自清洁超疏水镍-石墨烯杂化膜，其表面静态水接触角高达 160.°，滚动角低至 °，表现出优异的超疏水性. Liang等[38]通过电镀和电泳沉积方法，在铁-钨非晶态合金上制备了氧化石墨烯修饰的硅烷偶联剂Si-69（BTESPT）复合涂层，经X射线光电子能谱仪（XPS）和傅里叶红外吸收光谱仪（FTIR）表征表明BTESPT形成了明显的硅氧烷网络并与Fe-W衬底和GO板紧密连接，该表面具备较好的疏水性，水接触角达141.7°. Zhu等[39]采用一步式的高压电化学沉积技术在单晶硅晶片基板表面制备出三元石墨烯/非晶碳/镍碳基薄膜，该薄膜静态水接触角达158.98°，滚动角为2.75°，表现出优良的超疏水特性. Jena等[40]通过电化学沉积技术在碳钢表面制备出Ni还原氧化石墨烯肉豆蔻酸超疏水涂层. 当电解液温度为45 ℃时，该涂层表面为松果状结构，平均接触角巍悖罡呖纱?179°，滚动角约为 1°，呈现出优异的超疏水性，同时其与基体具有良好的结合强度.
文章来源：《中国表面工程》 网址: http://www.zgbmgc.cn/qikandaodu/2021/0508/591.html