本發(fā)明屬于有機/無機復(fù)合功能化材料領(lǐng)域,具體涉及一種二氧化硅/纖維素磁性泡沫及其制備方法。
背景技術(shù):
近年來油污及各種有機溶劑對水的污染日趨嚴重,開發(fā)新型的高效率適用性強的油污處理材料具有重要意義。理想的吸油材料需要具備較好的疏水親油性能、較快的吸附速率、較高的吸收量、簡便的油污回收利用、以及吸油材料的可重復(fù)使用性能。傳統(tǒng)的粉末、顆粒及薄膜納米復(fù)合吸油材料存在著吸附率低、回收再利用困難的問題。近年來廣泛開發(fā)的具有三維結(jié)構(gòu)的多孔泡沫材料成為了良好的油污吸收材料,目前常使用的三維吸油材料多是基于聚氨酯、聚苯乙烯等泡沫塑料,經(jīng)表面改性和修飾使其具備疏水親油性能后獲得的。其缺陷在于制備工藝復(fù)雜,往往需要使用毒性較高的化學(xué)藥品,且表面改性獲得的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差,油污吸收率低;此外,基于泡沫塑料的吸油材料的性能決定于泡沫基體,可選擇性小、強度低,適用范圍窄。
采用有機/無機復(fù)合材料能夠結(jié)合無機材料的強度和有機材料的韌性,從而賦予復(fù)合材料良好的強度和回彈的性能。在吸油泡沫中采用纖維結(jié)構(gòu)來替代泡孔結(jié)構(gòu),能夠有效降低泡沫材料的密度,并提高單位質(zhì)量的油污吸收率。由于纖維的一維交錯結(jié)構(gòu),使泡沫材料無需進行大面積的粒子改性便可獲得疏水親油性能。此外,結(jié)合四氧化三鐵磁性納米顆粒,可以賦予吸油泡沫磁性,使泡沫材料可通過磁場驅(qū)動來定向吸油,有利于海上油污的大范圍吸收。目前國內(nèi)外研究尚未見有關(guān)有機/無機纖維復(fù)合材料磁性泡沫的報道。
技術(shù)實現(xiàn)要素:
本發(fā)明的目的在于開發(fā)一種含有四氧化三鐵納米顆粒的無機二氧化硅纖維與有機納米原纖化纖維素復(fù)合磁性泡沫材料及其制備方法,并拓展其在油污吸收方面的應(yīng)用。
本發(fā)明通過以下方案實現(xiàn)。
一種二氧化硅/纖維素磁性泡沫的制備方法,包括以下步驟:
(1)將二氧化硅纖維與原纖化纖維素分散于去離子水中,攪拌混合均勻,配制得到混合溶液;
(2)向混合溶液中加入交聯(lián)劑和四氧化三鐵納米顆粒,室溫下攪拌,再超聲分散后,調(diào)節(jié)pH值,進行交聯(lián)反應(yīng),得到混合液水凝膠;將混合液水凝膠進行冷凍后,通過冷凍干燥除去水分,得到含四氧化三鐵納米顆粒的二氧化硅/纖維素磁性泡沫;
(3)將含四氧化三鐵納米顆粒的二氧化硅/纖維素磁性泡沫與含氟硅烷偶聯(lián)劑密封于玻璃皿內(nèi),將玻璃皿置于真空烘箱中,保溫,得到所述二氧化硅/纖維素磁性泡沫。
進一步地,步驟(1)中,所述二氧化硅纖維的直徑為0.5~2μm。
進一步地,步驟(1)中,所述二氧化硅纖維與原纖化纖維的質(zhì)量比為1:0.5~2。
進一步地,步驟(1)中,所述攪拌的轉(zhuǎn)速為2000~5000r/min,攪拌的時間為1~3小時。
進一步地,步驟(1)中,所述混合溶液的濃度為5~10mg/ml。
進一步地,步驟(1)中,所述原纖化纖維素直徑直徑為10~20nm,長徑比為1000~5000,由桉樹紙漿提取制備得到。
進一步地,步驟(2)中,所述交聯(lián)劑為戊二醛,添加量為混合溶液中二氧化硅纖維和原纖化纖維素總質(zhì)量的5%~25%。
進一步地,步驟(2)中,所述四氧化三鐵納米顆粒的粒徑為50~200nm,添加量為混合溶液中二氧化硅纖維和原纖化纖維素總質(zhì)量的50%~200%。
進一步地,步驟(2)中,所述攪拌為玻璃棒攪拌1~3h。
進一步地,步驟(2)中,所述超聲為冰浴中超聲1~3h。
進一步地,步驟(2)中,所述調(diào)節(jié)pH值為調(diào)節(jié)pH至4.5-5.5;
進一步地,步驟(2)中,所述交聯(lián)反應(yīng)是在60~80℃下進行交聯(lián)反應(yīng)2~4小時。
進一步地,步驟(2)中,所述冷凍為-80~-50℃下冷凍6~10小時。
進一步地,步驟(3)中,所述含氟硅烷偶聯(lián)劑包括十七氟癸基三甲氧基硅烷、十七氟癸基三乙氧基硅烷、十七氟癸基三氯硅烷、十三氟辛基三甲氧基硅烷,十三氟辛基三乙氧基硅烷、十三氟癸基三氯硅烷、全氟十二烷基三甲氧基硅烷、全氟十二烷基三乙氧基硅烷、全氟十二烷基三氯硅烷或三氟丙基三甲氧基硅烷。
進一步地,步驟(3)中,所述含四氧化三鐵納米顆粒的二氧化硅/纖維素磁性泡沫與含氟硅烷偶聯(lián)劑的質(zhì)量比為1:0.01~0.1。
進一步地,步驟(3)中,設(shè)置真空烘箱溫度為100~120℃,真空度為40~50mm汞柱。
進一步地,步驟(3)中,所述保溫時間為8~12小時。
由上述任一項所述制備方法制得的二氧化硅/纖維素磁性泡沫。
由上述任一項所述制備方法制得的二氧化硅/纖維素磁性泡沫應(yīng)用于油污吸收。
與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明具有如下優(yōu)點和有益效果:
(1)本發(fā)明結(jié)合無機二氧化硅微米/亞微米級纖維與有機原纖化纖維素,通過化學(xué)交聯(lián)的方法使其形成具有三維結(jié)構(gòu)的纖維泡沫材料,且材料具有良好的強度和彈性。
(2)本發(fā)明制備過程中,引入四氧化三鐵磁性納米顆粒,一方面可以提高泡沫表面的粗糙度,另一方面使泡沫材料具有磁性,可通過磁場誘導(dǎo)其定向運動。
(3)本發(fā)明制備的二氧化硅/纖維素磁性泡沫具有質(zhì)量輕、吸油量大、可通過磁場誘導(dǎo)運動、可重復(fù)使用、耐用性強,對遠距離大面積油污的吸收具有較強適用性。
(4)本發(fā)明制備過程簡單、溫和,適合規(guī)?;a(chǎn)。
附圖說明
圖1為實施例1制得的二氧化硅/纖維素磁性泡沫材料掃描電子顯微鏡照片;
圖2為實施例1制得的二氧化硅/纖維素磁性泡沫材料的循環(huán)壓縮性能測試結(jié)果;
圖3為實施例2制備的二氧化硅/纖維素磁性泡沫材料掃描電子顯微鏡照片;
圖4為實施例2制備的二氧化硅/纖維素磁性泡沫材料對不同液體的吸附率測試結(jié)果。
具體實施方式
以下結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作進一步闡述,但本發(fā)明不限于以下實施例。
本發(fā)明實施例中采用的二氧化硅纖維的直徑為0.5~2μm,采用的原纖化纖維素是直徑為10~20nm、長徑比為1000~5000的桉樹紙漿原纖化纖維素,采用四氧化三鐵納米顆粒的粒徑為50~200nm。
實施例1
(1)稱取250毫克二氧化硅纖維以及250毫克原纖化纖維素,加入100毫升去離子水中,采用高速攪拌機以2000轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速攪拌3小時,將二氧化硅纖維及纖維素充分分散,形成二氧化硅纖維/纖維素混合液;向該混合液中加入25微升戊二醛以及500毫克四氧化三鐵納米顆粒,改用玻璃攪拌棒繼續(xù)室溫攪拌2小時,隨后在冰浴中超聲2小時使納米顆粒充分分散;通過稀硫酸調(diào)節(jié)體系pH值為5,將混合液在75℃下交聯(lián)3小時獲得混合液水凝膠;將獲得的水凝膠在-80℃下冷凍6小時,之后通過冷凍干燥將凝膠中水分除去從而獲得三維泡沫材料。
(2)將獲得的三維泡沫與5微升十三氟辛基三乙氧基硅烷偶聯(lián)劑密封于玻璃皿內(nèi),將玻璃皿置于真空烘箱中,設(shè)置烘箱溫度為120℃,真空度為40毫米汞柱,在該條件下保持10小時,便獲得具有疏水親油性能的含四氧化三鐵納米顆粒的二氧化硅/纖維素磁性泡沫材料。
制得的二氧化硅/纖維素磁性泡沫的掃描電子顯微鏡照片如圖1所示。
制得的二氧化硅/纖維素磁性泡沫的密度為0.0128克/立方厘米,可迅速吸收水面及水下的有機溶劑;由于四氧化三鐵納米顆粒的存在,可通過磁場吸引來實現(xiàn)遠距離控制泡沫的運動方向。
由于交聯(lián)二氧化硅纖維與纖維素間形成交聯(lián)結(jié)構(gòu),制得的二氧化硅/纖維素磁性泡沫具有良好的形變回復(fù)能力,圖2為制得的二氧化硅/纖維素磁性泡沫的循環(huán)壓縮性能測試結(jié)果,由圖2可知,制得的二氧化硅/纖維素磁性泡沫在5個壓縮循環(huán)中能量損耗較小,可回復(fù)原始尺寸。
實施例2
(1)稱取250毫克二氧化硅纖維以及125毫克原纖化纖維素,加入60毫升去離子水中,采用高速攪拌機以3000轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速攪拌2小時,將二氧化硅纖維及纖維素充分分散,形成二氧化硅纖維/纖維素混合液;向該混合液中加入34微升戊二醛以及187.5毫克四氧化三鐵納米顆粒,改用玻璃攪拌棒繼續(xù)室溫攪拌1小時,隨后在冰浴中超聲1小時使納米顆粒充分分散;通過稀硫酸調(diào)節(jié)體系pH值為5.5,將混合液在60℃下交聯(lián)2小時獲得混合液水凝膠;將獲得的水凝膠在-50℃下冷凍10小時,之后通過冷凍干燥將凝膠中水分除去從而獲得三維泡沫材料。
(2)將獲得的三維泡沫與37.5微升十三氟辛基三甲氧基硅烷偶聯(lián)劑密封于玻璃皿內(nèi),將玻璃皿置于真空烘箱中,設(shè)置烘箱溫度為100℃,真空度為40毫米汞柱,在該條件下保持8小時,便獲得具有疏水親油性能的含四氧化三鐵納米顆粒的二氧化硅/纖維素磁性泡沫材料。
制得的二氧化硅/纖維素磁性泡沫的掃描電子顯微鏡照片如圖3所示。
制得的二氧化硅/纖維素磁性泡沫的密度為0.0068克/立方厘米,可迅速吸收水面及水下的有機溶劑。
由于四氧化三鐵納米顆粒的存在可通過磁場吸引來實現(xiàn)遠距離控制泡沫的運動方向;由于交聯(lián)二氧化硅纖維與纖維素間形成交聯(lián)結(jié)構(gòu),泡沫具有良好的形變回復(fù)能力。
圖4為制得的二氧化硅/纖維素磁性泡沫對不同有機溶劑及油污的吸收率測試結(jié)果,由圖4可知,制得的二氧化硅/纖維素磁性泡沫對不同有機溶劑及油污均具有高的吸附率。
實施例3
(1)稱取250毫克二氧化硅纖維以及500毫克原纖化纖維素,加入75毫升去離子水中,采用高速攪拌機以5000轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速攪拌1小時,將二氧化硅纖維及纖維素充分分散,形成二氧化硅纖維/纖維素混合液。向該混合液中加入340微升50wt%戊二醛水溶液以及1500毫克四氧化三鐵納米顆粒,改用玻璃攪拌棒繼續(xù)室溫攪拌3小時,隨后在冰浴中超聲3小時使納米顆粒充分分散;通過稀硫酸調(diào)節(jié)體系pH值為4.5,將混合液在80℃下交聯(lián)4小時獲得混合液水凝膠;將獲得的水凝膠在-50℃下冷凍10小時,之后通過冷凍干燥將凝膠中水分除去從而獲得三維泡沫材料。
(2)將獲得的三維泡沫與70微升十三氟辛基三甲氧基硅烷偶聯(lián)劑密封于玻璃皿內(nèi),將玻璃皿置于真空烘箱中,設(shè)置烘箱溫度為120℃,真空度為50毫米汞柱,在該條件下保持12小時,便獲得具有疏水親油性能的含四氧化三鐵納米顆粒的二氧化硅/纖維素磁性泡沫材料。
制得的二氧化硅/纖維素磁性泡沫的密度為0.0283克/立方厘米,可迅速吸收水面及水下的有機溶劑;由于四氧化三鐵納米顆粒的存在可通過磁場吸引來實現(xiàn)遠距離控制泡沫的運動方向;由于交聯(lián)二氧化硅纖維與纖維素間形成交聯(lián)結(jié)構(gòu),泡沫具有良好的形變回復(fù)能力。
實施例4
(1)稱取250毫克二氧化硅纖維以及250毫克原纖化纖維素,加入100毫升去離子水中,采用高速攪拌機以3500轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速攪拌2小時,將二氧化硅纖維及纖維素充分分散,形成二氧化硅纖維/纖維素混合液;向該混合液中加入200微升50wt%戊二醛水溶液以及1000毫克四氧化三鐵納米顆粒,改用玻璃攪拌棒繼續(xù)室溫攪拌2小時,隨后在冰浴中超聲3小時使納米顆粒充分分散;通過稀硫酸調(diào)節(jié)體系pH值為5,將混合液在70℃下交聯(lián)4小時獲得混合液水凝膠;將獲得的水凝膠在-50℃下冷凍10小時,之后通過冷凍干燥將凝膠中水分除去從而獲得三維泡沫材料。
(2)將獲得的三維泡沫與50微升全氟十二烷基三氯硅烷密封于玻璃皿內(nèi),將玻璃皿置于真空烘箱中,設(shè)置烘箱溫度為120℃,真空度為50毫米汞柱,在該條件下保持12小時,便獲得具有疏水親油性能的含四氧化三鐵納米顆粒的二氧化硅/纖維素磁性泡沫材料。
制得的二氧化硅/纖維素磁性泡沫的密度為0.0195克/立方厘米,可迅速吸收水面及水下的有機溶劑;由于四氧化三鐵納米顆粒的存在可通過磁場吸引來實現(xiàn)遠距離控制泡沫的運動方向;由于交聯(lián)二氧化硅纖維與纖維素間形成交聯(lián)結(jié)構(gòu),泡沫具有良好的形變回復(fù)能力。
實施例5
(1)稱取250毫克二氧化硅纖維以及300毫克原纖化纖維素,加入100毫升去離子水中,采用高速攪拌機以3500轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速攪拌3小時,將二氧化硅纖維及纖維素充分分散,形成二氧化硅纖維/纖維素混合液;向該混合液中加入150微升50wt%戊二醛水溶液以及500毫克四氧化三鐵納米顆粒,改用玻璃攪拌棒繼續(xù)室溫攪拌2小時,隨后在冰浴中超聲3小時使納米顆粒充分分散;通過稀硫酸調(diào)節(jié)體系pH值為5,將混合液在80℃下交聯(lián)3小時獲得混合液水凝膠;將獲得的水凝膠在-70℃下冷凍8小時,之后通過冷凍干燥將凝膠中水分除去從而獲得三維泡沫材料。
(2)將獲得的三維泡沫與30微升十七氟癸基三甲氧基硅烷密封于玻璃皿內(nèi),將玻璃皿置于真空烘箱中,設(shè)置烘箱溫度為110℃,真空度為45毫米汞柱,在該條件下保持10小時,便獲得具有疏水親油性能的含四氧化三鐵納米顆粒的二氧化硅/纖維素磁性泡沫材料。
制得的二氧化硅/纖維素磁性泡沫的密度為0.0107克/立方厘米,可迅速吸收水面及水下的有機溶劑;由于四氧化三鐵納米顆粒的存在可通過磁場吸引來實現(xiàn)遠距離控制泡沫的運動方向;由于交聯(lián)二氧化硅纖維與纖維素間形成交聯(lián)結(jié)構(gòu),泡沫具有良好的形變回復(fù)能力。