基于石墨烯的新型疏水性涂层简介

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1、皋于石墨烯的新型疏水性涂层简介李忠，崔晓莉（复旦大学材料科学系，上海200433）摘要：本文简要介绍了基于石墨烯的新型疏水性涂层研究进展。石墨烯、石墨烯氧化物的微观结构和官能团不同，其水润湿性表现出明显的羞开。石墨烯氧化物表血富含含氧官能团，表现岀亲水性；而石墨烯则表现出疏水性。石墨烯氧化物涂层在紫外光照下，对水润湿性的实现光致转化而获得光控功能性涂层。最后对石墨烯的新烈疏水性涂层的应用前景进行了展望。关键词：润湿性；石墨烯：氧化石墨烯；光致转化；疏水机制1引言趙疏水涂层表面因为具有很低的水润湿性，且水滴在表面有很高的接触角，易滚动，这使得这种涂层在实际中有很好的应用价值。近

2、年来，表面润湿性潜在的应用引起了人们极大的关注，它主要受表面粗糙度和化合物组成的彩响。提高表面粗糙度和降低表面能可以显若增强表面疏水性，基TTiO2的光致浸润性涂层的控制一度是该领域的研究热点⑴。江雷课题组等提岀微/纳一阶粗糙结构是具有超疏水性的根本原因⑵，据此可以设计出两种制备超毓水表面的途径：一种是在毓水材料表面构建微纳米粗糙复合结构；另一种是在粗糙表面卜•修饰低表面能的物质⑶。目前材料丁作者已经制备出了多种疏水性涂层材料，可分为聚合物（如聚烯烷超疏水材料）、金属（Al、Cu、Ti等）⑷和无机非金属超疏水材料（如碳纳米管（叭ZnO回、TiO2n）等。对于现今材料领域的“新

3、宠”•石墨烯/石墨烯氧化协在解决超疏水性涂层问题匕的前呆大为看好。石墨烯（Graphene,GR）是一种由稠环结构紧密堆积而成的二维蜂密状晶格结构的单•层碳原了薄膜，是2004年英国教授Geim等人国用微机械剥离法从岛导向热解石墨上剥离得到的，是目前世界上已知的最薄的新烈晶体材料。GR的诸多优界性能使人们相信，这种新材料在未来将有广阔的应用前景，共至有人断言其应用将超过碳材料家族的另一重要成员碳纳米管。石墨烯氧化物（GrapheneOxide,GO）是合成GR的前驱体，含有人量的於基、环氧基、援基、竣基等含氧官能团叫使得GO具有良好的润湿性能和表面活件。其中見基和环氧基主要位

4、于GR片层的基面上，而竣基主要存在丁片层的边缘上，目而得到普遍认可的GO结构模羽为Lerf-Klinowski模型㈣。山此可以利用GR、GO山于结构各界和肖能团的不同所导致的疏水性差别来制备不同浸润性的表面。本文简要介绍了涂层润湿性的表征方法以及基于GR的超疏水涂层的研究进展。2涂层润湿性的表征通过测定接触角表征涂层对液体的浸润性。液体接触并的定义是：为液滴在固体表面匕不被完全展开时，在气、液、固三相会合点，液■固界面的水平线与气•液界面切线之间通过液体内部的夹角0,称为接触角，如图I所示。(a)(b)图1固•液表面接触角(a)亲水表面(b)疏水表曲。Fig.lsolid-l

5、iquidcontactangle(a)ahydrophilicsurface(b)hydrophobicsurface.1805年，英国科学家T.Young最先得出在理想的固体表面上，接触角0的大小决定于固、液的表面张力，且具有确定的％值，其大小满足Youngs方程⑴1,Ysv=Ysi+YivCOSOo2-1式中Ysv，Y0和Yiv分别代表固•气、固■液和液■气界面的表面张力：％为平衡接触角或称为材料的本征接触角。Youngs方程只是一个理想化的模熨。在实际生产生活中，组成绝对均一，表面绝对光滑的材料几乎是不存在的。对于表面组成不均一、结构粗糙的实际固体表面的润湿性行为，早

6、在二I•世纪四五I•年代，就山Wenzel1121,Cassie和Baxter卩习三位科学家分别进行了讨论并对Young's方程进行了各自的修正。Wenzel和Cassie模型都认为尚体表面的粗糙度影响具表血的疏水性，但两者内在机制却是不同的。通常认为在Wenzel状态下，水滴与固体表面接触面积较大且液体完全填充于凹槽内，因而固液界面相互作用力较大；而对于Cassie状态，山于水滴类似于坐在针尖匕，水滴与固体表面接触面枳较小且液体完全不填充于凹槽内，因而相互作用力较小。3基于石墨烯的超蔬水涂层的研究正是基于对GR、GO特殊结构与表面形貌的考虑，不少研究开发超疏水涂层的科学家将

7、H光投向了这一类新型碳材料。Zhang［⑷等概括总结了超疏水性GR的制备介成路径，主要有两个步骤：氧化还原反应剥离天然鳞片石墨，在没有化学改性剂的基础上吸滤前期产物。该反应产物在紫外光照和非密封存放时可以表现出很好的疏水、亲水转变特性。而Zhou课题组在制备合成超疏水薄膜的工艺上进行了一些变化，他们在第一步骤后，改为三甲氧基硅烷功能化GO,最后热处理GR复合膜。山此生成的样品的疏水性极佳，0可达160.5。，并且水滴体枳在达到50pL时都可滚动自如。冋时对硅油的测试显示，该薄膜涂层是亲油性的，如图2所示