CN103232835B - 一种二氧化硅纤维与二氧化硅微球复合超疏水材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种二氧化硅纤维与二氧化硅微球复合超疏水材料的制备方法。它涉及一种超疏水材料的制备方法。它为解决现有疏水材料应用面较窄，环境适应性较差，稳定性较差，结构容易被破坏的问题。方法：先预处理二氧化硅纤维，然后分别用硅烷偶联剂和盐酸处理，再预处理二氧化硅微球，然后异丙醇处理，再将处理后的二氧化硅纤维放入二氧化硅微球悬浮液中，得到二氧化硅纤维/二氧化硅微球复合材料后加入氟硅烷正己醇溶液，得到二氧化纤维与二氧化硅微球复合的超疏水材料，本发明的二氧化硅纤维与二氧化硅微球复合超疏水材料，其接触角为152°，具有优异的超疏水性能，且耐热性强，抗腐蚀性好，可用于制备超疏水材料。
Description
技术领域
本发明涉及一种超疏水材料的制备方法。
背景技术
近年来，超疏水材料的发展使其在人们的日常生活和工农业生产中有着越来越广泛的应用，具体表现在防污、防水、防雾、防冰冻、自清洁和液体的无损耗传输等一些领域。因此，各种类型的超疏水材料的制备引起了人们的广泛关注。材料表面的浸润性是由表面粗糙度和表面化学组成共同决定的。通常超疏水材料的制备有两种方法，一种是在粗糙表面修饰低表面能物质，另一种是在疏水材料表面构建一定的表面粗糙度。众所周知，二氧化硅纤维具有以下的特性：耐热性强，机械强度高，化学稳定性好，吸湿性小，加工性好且价格便宜。若是能够将二氧化硅纤维做成超疏水材料，赋予普通超疏水材料以二氧化硅纤维的优异特性，将极大的扩大超疏水材料的应用范围。但是超疏水材料要求表面必须具有一定的粗糙度，而二氧化硅纤维表面非常光滑。
发明内容
本发明是为解决现有疏水材料应用面较窄，环境适应性较差，稳定性较差，结构容易被破坏的问题，而提供一种二氧化硅纤维与二氧化硅微球复合超疏水材料的制备方法。
本发明的一种二氧化硅纤维与二氧化硅微球复合超疏水材料的制备方法按以下步骤进行：
一、先依次用盐酸和去离子水清洗二氧化硅纤维，再依次用无水乙醇和去离子水清洗二氧化硅纤维，重复本步骤中的操作2～4次，然后干燥；
二、将步骤一后的二氧化硅纤维浸没在KH-550的甲苯溶液中5h～7h，然后在盐酸中处理0.5h～1.5h，用去离子水清洗后干燥，得到二氧化硅纤维；其中所述的步骤一得到的二氧化硅纤维的质量与KH-550的甲苯溶液的体积的比为100mg：(20～100)mL，KH-550的甲苯溶液中KH-550的体积分数为1％，其中所述的步骤一得到的二氧化硅纤维的质量与盐酸的体积的比为100mg：(20～100)mL，所述的盐酸的摩尔浓度为0.12mol/L，所述的步骤一后的二氧化硅纤维的直径为10μm～70μm；
三、将二氧化硅微球置于去离子水中，在频率为90MHz～110MHz下超声10min～30min，然后在转速为7500rpm～8500rpm下离心15min～20min，重复本步骤中的操作4～6次，然后在温度为30～50℃的条件下烘干，得到二氧化硅微球；
四、将步骤三得到的二氧化硅微球在超声频率为90MHz～110MHz下分散在异丙醇中，得到二氧化硅/异丙醇悬浮液；其中所述的二氧化硅微球的质量与异丙醇的体积的比为(1～5)mg：1mL；其中所述的步骤三得到的二氧化硅微球的粒径为260nm～300nm；
五、将步骤二得到的二氧化硅纤维沉浸在步骤四得到的二氧化硅/异丙醇悬浮液中7h～9h，常温下晾干即得到复合材料；
六、将氟硅烷加入到正己烷中，再加入醋酸，然后在转速为400rpm～600rpm的室温条件下搅拌9h～11h，最后将步骤五得到的复合材料浸没其中7h～9h，常温下干燥即得到二氧化硅纤维与二氧化硅微球复合超疏水材料；其中所述的氟硅烷和正己烷的质量比为1：(45～55)，所述的醋酸的体积和正己烷的质量的比为1mL：(35～45)g，所述的醋酸的pH值为3。
经本发明的方法处理后二氧化硅微球粒径均匀，球型较好，通过在二氧化硅纤维表面修饰二氧化硅微球使纤维具有一定的表面粗糙度，得到的二氧化硅纤维与二氧化硅微球复合超疏水材料，其接触角为152°，具有优异的超疏水性能，且采用的是二氧化硅纤维这种无机材料，所以耐热性强，机械强度高，化学稳定性好，吸湿性小，加工性好，扩大了普通超疏水材料的应用范围。
附图说明
图1为实施例1中步骤一后的二氧化硅纤维的扫描电镜照片；
图2为实施例1中步骤一后的二氧化硅纤维的FT-IR谱图；
图3为对实施例1中步骤二得到的二氧化硅纤维的FT-IR谱图；
图4为实施例1中步骤三得到的二氧化硅微球的扫描电镜照片；
图5为实施例1得到的二氧化硅纤维与二氧化硅微球复合超疏水材料的扫描电镜照片；
图6为实施1得到的二氧化硅纤维与二氧化硅微球复合材料的接触角照片。
具体实施方式
本发明的技术方案不局限于以下具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式的一种二氧化硅纤维与二氧化硅微球复合超疏水材料的制备方法按以下步骤进行：
一、先依次用盐酸和去离子水清洗二氧化硅纤维，再依次用无水乙醇和去离子水清洗二氧化硅纤维，重复本步骤中的操作2～4次，然后干燥；
二、将步骤一后的二氧化硅纤维浸没在KH-550的甲苯溶液中5h～7h，然后在盐酸中处理0.5h～1.5h，用去离子水清洗后干燥，得到二氧化硅纤维；其中所述的步骤一得到的二氧化硅纤维的质量与KH-550的甲苯溶液的体积的比为100mg：(20～100)mL，KH-550的甲苯溶液中KH-550的体积分数为1％，其中所述的步骤一得到的二氧化硅纤维的质量与盐酸的体积的比为100mg：(20～100)mL，所述的盐酸的摩尔浓度为0.12mol/L，所述的步骤一后的二氧化硅纤维的直径为10μm～70μm；
三、将二氧化硅微球置于去离子水中，在频率为90MHz～110MHz下超声10min～30min，然后在转速为7500rpm～8500rpm下离心15min～20min，重复本步骤中的操作4～6次，然后在温度为30～50℃的条件下烘干，得到二氧化硅微球；
四、将步骤三得到的二氧化硅微球在超声频率为90MHz～110MHz下分散在异丙醇中，得到二氧化硅/异丙醇悬浮液；其中所述的二氧化硅微球的质量与异丙醇的体积的比为(1～5)mg：1mL；其中所述的步骤三得到的二氧化硅微球的粒径为260nm～300nm；
五、将步骤二得到的二氧化硅纤维沉浸在步骤四得到的二氧化硅/异丙醇悬浮液中7h～9h，常温下晾干即得到复合材料；
六、将氟硅烷加入到正己烷中，再加入醋酸，然后在转速为400rpm～600rpm的室温条件下搅拌9h～11h，最后将步骤五得到的复合材料浸没其中7h～9h，常温下干燥即得到二氧化硅纤维与二氧化硅微球复合超疏水材料；其中所述的氟硅烷和正己烷的质量比为1：(45～55)，所述的醋酸的体积和正己烷的质量的比为1mL：(35～45)g，所述的醋酸的pH值为3。
经本实施方式的方法处理后二氧化硅微球粒径均匀，球型较好，通过在二氧化硅纤维表面修饰二氧化硅微球使纤维具有一定的表面粗糙度，得到的二氧化硅纤维与二氧化硅微球复合超疏水材料，其接触角为152°，具有优异的超疏水性能，且采用的是二氧化硅纤维这种无机材料，所以耐热性强，机械强度高，化学稳定性好，吸湿性小，加工性好，扩大了普通超疏水材料的应用范围。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中重复本步骤中的操作3次，其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤二中将步骤一后的二氧化硅纤维浸没在KH-550的甲苯溶液中6h，然后在盐酸中处理1h，其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤二中所述的步骤一得到的二氧化硅纤维的质量与KH-550的甲苯溶液的体积的比为100mg：50mL，其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤三中在频率为99MHz下超声20min，然后在转速为8000rpm下离心18min，重复本步骤中的操作5次，然后在温度为40℃的条件下烘干，其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤四中将步骤三得到的二氧化硅微球在超声频率为99MHz下分散在异丙醇中，其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤四中所述的步骤三得到的二氧化硅微球与步骤二中步骤一后的二氧化硅纤维的质量比为2∶1，所述的二氧化硅微球的质量与异丙醇的体积的比为4mg∶1mL，其它步骤及参数与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤五中将步骤二得到的二氧化硅纤维沉浸在步骤四得到的二氧化硅/异丙醇悬浮液中8h，其它步骤及参数与具体实施方式一至七之一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：步骤六中在转速为500rpm的室温条件下搅拌10h，最后将步骤五得到的复合材料浸没其中8h，其它步骤及参数与具体实施方式一至八之一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：步骤六中所述的氟硅烷和正己烷的质量比为1∶50，所述的醋酸的体积和正己烷的质量的比为1mL∶40g，其它步骤及参数与具体实施方式一至九之一相同。
用以下试验验证本发明的有益效果：
实施例1、一种二氧化硅纤维与二氧化硅微球复合超疏水材料的制备方法按以下步骤进行：
一、取200mg二氧化硅纤维，先用100mL盐酸清洗，然后用200mL去离子水清洗，再用100mL无水乙醇清洗，最后再用200mL去离子水清洗，重复本步骤中的操作3次，然后在温度为40℃的条件下干燥；
二、取100mg步骤一后的二氧化硅纤维浸没在40mL的KH-550的甲苯溶液中6h，然后在50mL的盐酸中处理1h，得到二氧化硅纤维；其中KH-550的甲苯溶液中KH-550的体积分数为1％，其中所述的盐酸的摩尔浓度为0.12mol/L，所述的步骤一后的二氧化硅纤维的直径为34μm；
三、将300mg二氧化硅微球置于4mL去离子水中，在频率为99MHz下超声20min，然后在转速为8000rpm下离心20min，重复本步骤中的操作5次，然后在温度为40℃的条件下烘干，得到二氧化硅微球；
四、取200mg步骤三得到的二氧化硅微球在超声频率为99MHz下分散在50mL异丙醇中，得到二氧化硅/异丙醇悬浮液；其中所述的步骤三得到的二氧化硅微球的直径为280nm；
五、将步骤二得到的二氧化硅纤维沉浸在步骤四得到的二氧化硅/异丙醇悬浮液中8h，得到复合材料；
六、将0.4g氟硅烷加入到20g正己烷中，再加入0.5mL醋酸，然后在转速为500rpm的室温条件下搅拌10h，最后将步骤五得到的复合材料浸没其中8h，得到二氧化硅纤维与二氧化硅微球复合超疏水材料；其中所述的醋酸是用去离子水稀释到的pH值为3的醋酸。
试验一、对实施例1得到的二氧化硅纤维与二氧化硅微球复合超疏水材料进行性能检测，检测试验如下：
采用日立S-4800扫描电子显微镜对实施例1中步骤一后的二氧化硅纤维进行扫描电镜检测，得到如图1所示的扫描电镜照片，由图1可知二氧化硅纤维的直径为34μm，其表面比较光滑。
采用美国PE公司型号为SPECTRUM ONE的傅里叶变换红外光谱仪对实施例1中步骤一后的二氧化硅纤维进行红外光谱检测，得到如图2所示的FT-IR谱图，对实施例1中步骤二得到的二氧化硅纤维进行红外光谱检测，得到如图3所示的FT-IR谱图，由图2和图3对比分析可知，3423.30cm-1处的峰为Si-OH的伸缩振动吸收峰，经硅烷偶联剂KH-550处理后的此峰明显减弱，说明大部分二氧化硅纤维和硅烷偶联剂发生缩合反应，且图3中的二氧化硅纤维在2924.47cm-1处出现了新峰，这是硅烷偶联剂带来的亚甲基的伸缩振动峰，由图2和图3可知，二氧化硅纤维已经成功的修饰上了硅烷偶联剂。
采用日立S-4800扫描电子显微镜对实施例1中步骤三得到的二氧化硅微球进行扫描电镜检测，得到如图4所示的扫描电镜照片，由图4可知二氧化硅微球的直径为280nm，其粒径均匀，球型较好。
采用日立S-4800扫描电子显微镜对实施例1得到的二氧化硅纤维与二氧化硅微球复合超疏水材料进行扫描电镜检测，得到如图5所示的扫描电镜照片，由图5可以看出二氧化硅纤维表面长上了二氧化硅微球，使纤维具有一定的表面粗糙度。
采用德国Dataphysics公司型号为OCA20的接触角仪对实施例1得到的二氧化硅纤维与二氧化硅微球复合材料的表面进行接触角检测，得到如图6所示的接触角照片，由图6可以看出接触角为152°，说明制得的复合材料为超疏水材料。
Claims (10)
1.一种二氧化硅纤维与二氧化硅微球复合超疏水材料的制备方法，其特征在于一种二氧化硅纤维与二氧化硅微球复合超疏水材料的制备方法按以下步骤进行：
一、先依次用盐酸和去离子水清洗二氧化硅纤维，再依次用无水乙醇和去离子水清洗二氧化硅纤维，重复本步骤中的操作2～4次，然后干燥；
二、将步骤一后的二氧化硅纤维浸没在KH-550的甲苯溶液中5h～7h，然后在盐酸中处理0.5h～1.5h，用去离子水清洗后干燥，得到二氧化硅纤维；其中所述的步骤一得到的二氧化硅纤维的质量与KH-550的甲苯溶液的体积的比为100mg：(20～100)mL，KH-550的甲苯溶液中KH-550的体积分数为1％，其中所述的步骤一得到的二氧化硅纤维的质量与盐酸的体积的比为100mg：(20～100)mL，所述的盐酸的摩尔浓度为0.12mol/L，所述的步骤一后的二氧化硅纤维的直径为10μm～70μm；
三、将二氧化硅微球置于去离子水中，在频率为90MHz～110MHz下超声10min～30min，然后在转速为7500rpm～8500rpm下离心15min～20min，重复本步骤中的操作4～6次，然后在温度为30～50℃的条件下烘干，得到二氧化硅微球；
四、将步骤三得到的二氧化硅微球在超声频率为90MHz～110MHz下分散在异丙醇中，得到二氧化硅/异丙醇悬浮液；其中所述的步骤三得到的二氧化硅微球与步骤二中步骤一后的二氧化硅纤维的质量比为(1.5～2.5)：1；其中所述的二氧化硅微球的质量与异丙醇的体积的比为(1～5)mg：1mL；其中所述的步骤三得到的二氧化硅微球的粒径为260nm～300nm；
五、将步骤二得到的二氧化硅纤维沉浸在步骤四得到的二氧化硅/异丙醇悬浮液中7h～9h，常温下晾干即得到复合材料；
六、将氟硅烷加入到正己烷中，再加入醋酸，然后在转速为400rpm～600rpm的室温条件下搅拌9h～11h，最后将步骤五得到的复合材料浸没其中7h～9h，常温下干燥即得到二氧化硅纤维与二氧化硅微球复合超疏水材料；其中所述的氟硅烷和正己烷的质量比为1∶(45～55)，所述的醋酸的体积和正己烷的质量的比为1mL∶(35～45)g，所述的醋酸的pH值为3。
2.根据权利要求1所述的一种二氧化硅纤维与二氧化硅微球复合超疏水材料的制备方法，其特征在于步骤一中重复本步骤中的操作3次。
3.根据权利要求1或2所述的一种二氧化硅纤维与二氧化硅微球复合超疏水材料的制备方法，其特征在于步骤二中将步骤一后的二氧化硅纤维浸没在KH-550的甲苯溶液中6h，然后在盐酸中处理1h。
4.根据权利要求3所述的一种二氧化硅纤维与二氧化硅微球复合超疏水材料的制备方法，其特征在于步骤二中所述的步骤一得到的二氧化硅纤维的质量与KH-550的甲苯溶液的体积的比为100mg∶50mL，步骤一得到的二氧化硅纤维的质量与盐酸的体积的比为100mg∶50mL。
5.根据权利要求3所述的一种二氧化硅纤维与二氧化硅微球复合超疏水材料的制备方法，其特征在于步骤三中在频率为99MHz下超声20min，然后在转速为8000rpm下离心18min，重复本步骤中的操作5次，然后在温度为40℃的条件下烘干。
6.根据权利要求3所述的一种二氧化硅纤维与二氧化硅微球复合超疏水材料的制备方法，其特征在于步骤四中将步骤三得到的二氧化硅微球在超声频率为99MHz下分散在异丙醇中。
7.根据权利要求3所述的一种二氧化硅纤维与二氧化硅微球复合超疏水材料的制备方法，其特征在于步骤四中所述的步骤三得到的二氧化硅微球与步骤二中步骤一后的二氧化硅纤维的质量比为2∶1，所述的二氧化硅微球的质量与异丙醇的体积的比为4mg∶1mL。
8.根据权利要求3所述的一种二氧化硅纤维与二氧化硅微球复合超疏水材料的制备方法，其特征在于步骤五中将步骤二得到的二氧化硅纤维沉浸在步骤四得到的二氧化硅/异丙醇悬浮液中8h。
9.根据权利要求3所述的一种二氧化硅纤维与二氧化硅微球复合超疏水材料的制备方法，其特征在于步骤六中在转速为500rpm的室温条件下搅拌10h，最后将步骤五得到的复合材料浸没其中8h。
10.根据权利要求3所述的一种二氧化硅纤维与二氧化硅微球复合超疏水材料的制备方法，其特征在于步骤六中所述的氟硅烷和正己烷的质量比为1∶50，所述的醋酸的体积和正己烷的质量的比为1mL∶40g。
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| C10 | Entry into substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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Granted publication date: 20140723 Termination date: 20180514 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |