[发明专利]具有微纳结构的超疏水纤维素材料的制备方法

说明书

 

技术领域

本发明属于化工领域，特别涉及一种关于具有微纳结构的超疏水天然纤维素材料的制备方法。

 

背景技术

超疏水材料是指与水的接触角大于150°的材料。超疏水材料具有疏水性能以及防污、防水和防尘的自清洁能力，在人们的日常生活和工农业生产中具有非常广阔的应用前景，因此近年来超疏水材料制备方法的开发及相关性能的研究成为人们关注的热点。由于固体材料的润湿性主要是由化学组成和表面微观几何结构共同决定的，因此超疏水材料的制备方法主要分为两类，一类是在粗糙固体表面修饰低表面能物质，如含氟、硅元素的材料；另一类是利用疏水性材料构筑粗糙结构。有研究表明，即使具有最低表面自由能（6.7N/m）的光滑固体表面与水的接触角也只有119°，所以构筑合适的表面微观几何结构是制备超疏水材料的关键。目前，用于制备具有微纳米分级结构的超疏水材料的方法主要包括：溶胶-凝胶法、模板法、相分离法、静电纺丝法、刻蚀法、拉伸法、腐蚀法及自组装等。但是，这些制备方法所采用的基底材料多为载玻片、硅片或金属等平面类的材料，使超疏水材料易于从基底上脱落；而且有些方法所需化学条件和工艺苛刻、需要使用非常昂贵的设备或制备步骤繁琐，难以在超疏水材料微纳结构的构建上得到工业化的应用。因此寻找合适的基底材料，探索简便的工艺条件，制备出具有良好使用性能的超疏水材料具有重要的现实意义。

天然纤维素材料来源广泛且性质稳定，具有优异的柔韧性、耐腐蚀性、良好的成膜性和对疏水材料良好的粘附性，是构筑超疏水材料的一种理想基底材料。中国专利200910152782.x提出了一种超疏水纳米修饰纤维素材料的制备方法，以钛酸四丁酯为前体物，天然纤维素纤维为基底物质，用溶胶-凝胶法在天然纤维素表面沉积纳米层的二氧化钛膜，随后自组装含长链烷基硅烷单层，得到超疏水纳米修饰纤维素材料，但是二氧化钛层的沉积和氟硅烷的修饰过程繁琐，工艺条件复杂。

 

发明内容

解决的技术问题：本发明提供一种性能优异、工艺简单的具有微纳结构的超疏水纤维素材料的制备方法，将两种不同粒径的功能化二氧化硅粒子与疏水聚合物和助剂混合均匀后，直接喷涂在天然纤维素材料上构筑具有微纳分级结构的涂层，该涂层材料除了具有优异的疏水性能外，还具有很强的耐洗刷及耐酸碱性能。

技术方案：具有微纳结构的超疏水纤维素材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)将正硅酸乙酯和功能化硅氧烷加入到含有去离子水的乙醇体系中，以氨水为催化剂，在25~75℃温度下连续搅拌5~10h，得到功能化二氧化硅粒子A分散液，其中正硅酸乙酯:功能化硅氧烷:去离子水:氨水:乙醇的体积比为（0.1~4）:（0.01~2）:（1~3）:（0.1~0.5）:（5~9）；取10~100mL上述功能化二氧化硅粒子A分散液作为种子，依次向其中加入体积比为（0.5~5）:（0.1~2）:（1~3）:（0.1~0.5）:（7~11）的正硅酸乙酯、功能化硅氧烷、去离子水、氨水和乙醇，配制成总体积为500mL的分散液，在25~75℃温度下连续搅拌5~10h后，得到功能化二氧化硅粒子B分散液；

(2)将步骤(1)中的两种功能化二氧化硅粒子分别离心洗涤三次后，按照比例在二甲基甲酰胺中超声分散5~30min，然后向体系中加入疏水聚合物和低表面能助剂，机械搅拌0.5~2h混合均匀，形成稳定的白色分散液，各组分用量是：功能化二氧化硅粒子A：0.1~1 wt%；功能化二氧化硅粒子B：0.1~1.5 wt%；疏水聚合物：0.1~2wt%；低表面能助剂：0.1~1.5wt%；二甲基甲酰胺：94~99.6wt %；

 (3)将步骤(2)中的白色分散液通过直接喷涂或旋涂法涂布在天然纤维素材料上，干燥处理后，得到具有微纳米级粗糙结构的超疏水纤维素材料。

所述步骤(1)中的功能化硅氧烷为八苯基环四硅氧烷、十七氟癸基三甲氧基硅烷、乙烯基三乙酰氧基硅烷、异辛基三乙氧基硅烷、异丁基三甲氧基硅烷、十二烷基三乙氧基硅烷或苯基三甲氧基硅烷中的一种。

所述步骤(1)中的功能化二氧化硅粒子A的粒径是20~80nm。

所述步骤(1)中的功能化二氧化硅粒子B的粒径是300~1000nm。

所述步骤(2)中的疏水聚合物为聚偏氟乙烯、聚(偏氟乙烯-六氟丙烯)、氟化聚碳酸酯、聚苯乙烯或聚(苯乙烯-b-二甲基硅氧烷)中的一种。