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石墨烯基超疏水材料制备及其应用研究进展(3)
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摘要：图4 （a）石墨烯沉积的不锈钢网面；（b）石墨烯修饰不锈钢网的扫描电镜图像[35]；（c）松果状石墨烯复合涂层；（d）松果状石墨烯复合涂层放大图[36]；
图4 （a）石墨烯沉积的不锈钢网面；（b）石墨烯修饰不锈钢网的扫描电镜图像[35]；（c）松果状石墨烯复合涂层；（d）松果状石墨烯复合涂层放大图[36]；（e）花瓣形态石墨烯[41]Fig.4 (a) Graphene-deposited stainless steel mesh; (b) SEM of graphene-modified stainless steel mesh[35]; (c) pinecone-like graphene composite coating;(d) magnified pinecone-like graphene composite coating[36]; (e) petal morphology graphene[41]
化学沉积法是利用基底与溶液或气体进行的化学反应，从而在基底的表面形成所需的转化涂层或薄膜. Yoon等[41]采用化学气相沉积技术，以甲烷为碳源，在3D Cu结构表面生长出花瓣形态的石墨烯，如图4（e）所示，其接触角为 154.2°，具有良好的超疏水性. Zheng等[42]通过化学气相沉积技术，以甲烷和氢气的混合气体为碳源，在铜箔表面生成石墨烯层，经过刻蚀处理，将石墨烯层与经仿生微结构表面处理的铝合金基体结合，制备出具有仿生图案的石墨烯基疏水表面，静态水接触角为 130.8°±2°. Ong 等[43]将化学气相沉积技术与电化学沉积技术相结合，制备出3D石墨烯-碳纳米管（G-CNT）杂化结构材料，碳纳米管的加入增加了石墨烯表面的粗糙度，提高了材料的疏水性能，水接触角为148°，此外其具有优异的亲油性，可吸收其自重51倍重量的汽油.
2.3 激光诱导法
激光诱导法是指以激光照射经预处理的基材表面，从而诱导表面发生物理化学变化而制备石墨烯基超疏水材料的方法.
通过激光照射特定材料表面，可以直接诱导合成石墨烯. Li等[44]以二氧化碳激光器对聚酰亚胺（PI）膜进行诱导照射制备出石墨烯涂层. 研究表明，通过调控反应气氛，可控制石墨烯涂层的疏水性能. 当反应气氛为Ar或H2时，所制备的石墨烯涂层表面接触角均大于 150°，分别为152°和157°，表现出良好的超疏水性；而当气氛为O2或空气时，其表面均表现出超亲水性. Nasser等[45]采用同样的技术制备石墨烯涂层，通过调控激光能量密度来控制涂层表面的几何结构进而调控涂层表面的疏水性. 当脉冲扫描速率低于DPI 200时，其表面形成团簇状的花瓣结构，此时涂层表面呈现出疏水性能，接触角为161.1°；随着脉冲扫描速率的升高，涂层表面粗糙度降低，当达到DPI 1000时，涂层表面接触角为0°，此时石墨烯表面呈现出超亲水性能. 上述研究表面，通过调控反应氛围及激光能量的强度均可有效改善石墨烯表面的润湿性.
此外，激光扫描方式对石墨烯表面的疏水性能也具有一定的影响作用. Wu等[46]以芋头叶表面为模板，通过autoCAD建模控制激光的扫描路径，在适当的激光强度下，使用两步诱导法制备出石墨烯基超疏水涂层，其制备过程如图5（a）～（d）所示，其表面形成与芋叶结构相似的微观结构，如图5（e）～（f）所示，表面接触角达到 151.5°.
图5 简要流程图[46]. （a）激光诱导过程；（b）预碳化过程；（c）模型化诱导过程；（d）扫描激光束工作流程；（e）预碳化聚酰亚胺（PI）膜的光学图；（f）经模型碳化的光学图；（g）芋叶的扫描电镜图Fig.5 Brief flow chart[46]: (a) laser induction process; (b) pre-carbonization process; (c) modeling induction process; (d) scanning laser beam workflow;(e) optical diagram of pre-carbonized PI film; (f) model carbonized optical image; (g) SEM image of taro leaf
激光不仅能诱导石墨烯合成，还可对石墨烯材料表面进行分子级别处理，调节石墨烯材料性质.Wang等[47]通过激光干涉调节GO薄膜的成分，去除亲水基团制备出石墨烯基超疏水表面，制备过程如图6（a）所示，其微观结构如图6（b）和（c）所示，其接触角高达156.7°，表现出优异的超疏水性能.
图6 （a）激光照射示意图；（b）以0.3 W功率照射时形成的石墨烯表面结构扫描电镜图；（c）放大的扫描电镜图和接触角图（BS：分光镜，RF：反射镜）[47]Fig.6 (a) Schematic of laser irradiation; (b) SEM of the graphene surface structure formed by 0.3 W power; (c) magnified SEM and contact angle image (BS: beam splitter, RF: mirror)[47]
激光诱导法制备石墨烯超疏水涂层，也为仿生表面的制备提供了途径. Song等[48]通过激光刻蚀和转移技术在不锈钢表面制备了具有超疏水性和高附着力的玫瑰花瓣结构石墨烯薄膜，其接触角达154.3°，且在酸性和碱性条件下，涂层仍呈现出优异的疏水性能. 弯艳玲等[49]通过激光烧蚀技术在铝合金表面制备石墨烯超疏水涂层，其接触角为154.4°，改善了铝合金表面的疏水性能，同时延缓了水滴的结冰时间. Jiang等[50]采用激光全息技术，利用干涉激光的诱导、烧蚀和还原作用，在玻璃基体上制备出有具有分层粗糙度的微米级光栅结构石墨烯纳米片层表面，该表面静态水接触角为 155°.
文章来源：《中国表面工程》 网址: http://www.zgbmgc.cn/qikandaodu/2021/0508/591.html