CN103556477B - 一种羽绒纤维表面复合功能纳米粒子的方法 - Google Patents
一种羽绒纤维表面复合功能纳米粒子的方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种羽绒纤维表面复合功能纳米粒子的方法，属于纺织材料技术领域。本发明通过羽绒纤维/聚苯乙烯磺酸钠分散溶液的配制、功能纳米粒子溶液的配制、羽绒纤维的表面复合将功能纳米粒子复合在羽绒纤维表面。聚苯乙烯磺酸钠、磺酸基分散剂以及功能纳米粒子之间通过层层分子间的作用，使分散好的功能纳米粒子牢固地复合在羽绒纤维表面，从而赋予羽绒纤维多种功能。本发明的羽绒纤维表面复合功能纳米粒子的方法不仅高效地利用了大量废弃的羽绒纤维，提高了羽绒纤维的附加值，开辟了羽绒纤维在其他领域的应用，而且整个工艺设备简单，成本较低，对生态环境无污染，具有很大的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种羽绒纤维表面复合功能纳米粒子的方法，属于纺织材料技术领域。
背景技术
羽绒来自禽类的毛，是一种天然蛋白质材料，资源非常丰富，我国年产量达六十多万吨，占世界总产量的60%，来源广泛，经济成本低。羽绒呈朵状，有60~150根绒丝，以一个交结点为核心向外放射状分布，形成外疏里密的三维空间结构。羽绒绒丝具有自然卷曲、柔软等特性，绒朵的绒丝分布越接近核心绒丝密度越大。因此，绒朵与绒朵之间绒丝形不成抱合，呈蓬散状态，在自然状态下羽绒的重量极轻。羽绒具有别的材料所不能替代的质轻、柔软蓬松以及保暖性好的特点，目前作为保暖填充材料得到广泛应用。
羽绒纤维的表面是一层致密的分子层膜，它是由甾醇与三磷酸酯的双分子层膜组成的，二者均为强疏水性，因而羽绒纤维具有良好的防水性能。据报道，JosephH等人曾对羽绒纤维的机械性能作过一些探讨，研究了其表面形态结构，并测试了其耐化学试剂性能和物理性能。在此基础上，报道了羽毛蓬松胎、羽毛纤维纱线及羽毛复合纺织布等几种新型纺织品的加工工艺和性能。然而羽绒纤维在其他领域的利用率很低，国内外对羽毛及其制品的研究开发还停留在原材料粗加工的水品上，80%以上的羽绒纤维被作为废弃物处理，给生态环境带来较大的污染。
另外，中国专利公开号CN102131980A，公开日是2011年7月20日，发明名称为“附着有碳纳米管的导电纤维、导电纱、纤维结构体和它们的制造方法”，该方法使碳纳米管附着在合成纤维表面，使得该纤维具有优异的导电性，但是不能作为灵敏的导体，且制备工艺复杂。纤维表面的改性，如CN1302928A所公开的，利用醇类处理纤维表面，在酸或碱催化剂存在下使纤维与醇类发生化学反应，形成共价键结合，赋予纤维吸湿排汗的特性。这种方法适用于聚酯类纤维及聚酰胺类纤维，无法适用于羽绒纤维，因为采用此方法会破坏羽绒纤维表面的双分子膜，影响它的表面结构，从而破坏其超疏水性，并且在一定程度上使得羽绒优良的蓬松性大大降低，不利于羽绒的各方面应用。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种羽绒纤维表面复合功能纳米粒子的方法。
为了实现上述目的，本发明的技术解决方案为，一种羽绒纤维表面复合功能纳米粒子的方法，所述方法采用以下步骤：
a羽绒纤维/聚苯乙烯磺酸钠分散溶液的配制
将清洗干燥后的羽绒纤维放入质量分数为1%~5%的聚苯乙烯磺酸钠水溶液中浸泡72-168h，浸泡温度为25-50°C，调节pH为3~5，其中，羽绒纤维与聚苯乙烯磺酸钠水溶液的质量比为1:100-1:500；
b功能纳米粒子溶液的配制
将磺酸基分散剂加入去离子水中，机械搅拌1h后加入功能纳米粒子，采用超声波处理1h后得到功能纳米粒子溶液，超声波处理温度为25-50°C，其中，磺酸基分散剂的质量分数为0.5%-1%，功能纳米粒子的质量分数为1%-5%；
c羽绒纤维的表面复合
将经步骤a、步骤b得到的羽绒纤维/聚苯乙烯磺酸钠分散溶液和功能纳米粒子溶液按照体积比1:1-1:2的比例混合，混合后的溶液经超声波处理1-5h后，取出表面复合功能纳米粒子溶液的羽绒纤维并放入60℃的烘箱中干燥3h后得到表面功能化的羽绒纤维，羽绒纤维表面功能层的厚度为0.1-2μm。
所述的聚苯乙烯磺酸钠的相对分子量为3000-12000。
所述的磺酸基分散剂是对苯乙烯磺酸钠或十二烷基苯磺酸钠或十二烷基磺酸钠中的一种。
所述的功能纳米粒子为四氧化三铁或碳纳米管或银粒子或二氧化钛中的一种，粒径≤100nm。
由于采用了以上技术方案，本发明的技术特点在于：
本发明将羽绒纤维浸泡在聚苯乙烯磺酸钠水溶液中，使得羽绒绒朵充分张开，并且羽绒呈润湿状态，聚苯乙烯磺酸钠大分子聚集在羽绒纤维表面，形成一层分子层。同时，在酸性条件下羽绒纤维上带正电的氨基能与磺酸基结合，因而使得聚苯乙烯磺酸钠牢牢地附着在羽绒纤维表面，形成稳定的羽绒纤维/聚苯乙烯磺酸钠分散溶液。
本发明中的功能纳米粒子在水中溶解度较低，而磺酸基分散剂作为一种表面活性剂，其非亲水端基能够与功能纳米粒子形成非共价键，提高了功能纳米粒子的溶解度，并且磺酸基分散剂上的磺酸根增加了功能纳米粒子表面的负电量，增加了纳米粒子之间的静电排斥力，从而提高悬浮液的分散性和稳定性。功能纳米粒子通过超声波处理后均匀分散在磺酸基分散剂溶液中，进一步克服了团聚体强吸附力，破坏了功能纳米粒子纠缠粘结的状态，形成了稳定且分散均匀的功能纳米粒子溶液。
将羽绒纤维/聚苯乙烯磺酸钠分散溶液和功能纳米粒子溶液混合后，根据相似相容原理，聚苯乙烯磺酸钠大分子与磺酸基分散剂分子具有较强的分子间结合力。因而，功能纳米粒子通过表面的磺酸基分散剂分子与聚苯乙烯磺酸钠分子层形成分子间结合力。聚苯乙烯磺酸钠、磺酸基分散剂以及功能纳米粒子之间通过层层分子间的作用，使分散好的功能纳米粒子牢固地复合在羽绒纤维表面，从而赋予羽绒纤维多种功能。
本发明的羽绒纤维表面复合功能纳米粒子的方法不仅高效地利用了大量废弃的羽绒资源，提高了羽绒的生产价值，开辟了羽绒在其他领域的应用，而且整个工艺设备简单，成本较低，对生态环境无污染，具有很大的应用前景。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行具体详细描述。
一种羽绒纤维表面复合功能纳米粒子的方法，所述方法采用以下步骤：
a羽绒纤维/聚苯乙烯磺酸钠分散溶液的配制
将清洗干燥后的羽绒纤维放入质量分数为1%~5%的聚苯乙烯磺酸钠水溶液中浸泡72-168h，浸泡温度为25-50°C，调节pH为3~5，其中，羽绒纤维与聚苯乙烯磺酸钠水溶液的质量比为1:100-1:500。所述的羽绒纤维是鸭绒纤维或鹅绒纤维的一种，所述的聚苯乙烯磺酸钠的相对分子量为3000-12000；
b功能纳米粒子溶液的配制
将磺酸基分散剂加入去离子水中，机械搅拌1h后加入功能纳米粒子，采用超声波处理1h后得到功能纳米粒子溶液，超声波处理温度为25-50°C，其中，磺酸基分散剂的质量分数为0.5%-1%，功能纳米粒子的质量分数为1%-5%。所述的磺酸基分散剂是对苯乙烯磺酸钠或十二烷基苯磺酸钠或十二烷基磺酸钠中的一种，所述的功能纳米粒子为四氧化三铁或碳纳米管或银粒子或二氧化钛中的一种，粒径≤100nm；
c羽绒纤维的表面复合
将经步骤a、步骤b得到的羽绒纤维/聚苯乙烯磺酸钠分散溶液和功能纳米粒子溶液按照体积比1:1-1:2的比例混合，混合后的溶液经超声波处理1-5h后，取出表面复合功能纳米粒子溶液的羽绒纤维并放入60℃的烘箱中干燥3h后得到表面功能化的羽绒纤维，羽绒纤维表面功能层的厚度为0.1-2μm。对于功能纳米粒子碳纳米管而言，两种溶液的均匀混合，使得碳纳米管附着在羽绒纤维表面，在聚苯乙烯磺酸钠电解质的作用下，高效的电荷流动在碳纳米管的网状结构中，使得表面复合碳纳米管的羽绒具有很好的导电性。同时由于羽绒的蓬松性，使得在自然状态下，附着在羽绒纤维表面的碳纳米管的电导率会随着其体积变化而发生灵敏地改变，可以作为灵敏的导体。
具体实施例
实施例一
按上述步骤：称取清洗干燥后的鸭绒纤维1g，配制质量分数为1%的聚苯乙烯磺酸钠水溶液100g，聚苯乙烯磺酸钠的相对分子量为3000，将鸭绒纤维放入聚苯乙烯磺酸钠水溶液中浸泡72h，浸泡温度为25°C，调节pH为3，得到鸭绒纤维/聚苯乙烯磺酸钠分散溶液。称取0.5g对苯乙烯磺酸钠加入100mL去离子水中，机械搅拌1h后加入1g四氧化三铁，四氧化三铁的粒径是100nm，采用超声波处理1h后得到四氧化三铁溶液，超声波处理温度为25°C。将上述鸭绒纤维/聚苯乙烯磺酸钠分散溶液和四氧化三铁溶液按照体积比1:1的比例混合，混合后的溶液经超声波处理1h后，取出表面复合四氧化三铁溶液的鸭绒纤维并放入60℃的烘箱中干燥3h后得到表面功能化的鸭绒纤维，鸭绒纤维表面功能层的厚度为0.1μm。
实施例二
按上述步骤：称取清洗干燥后的鹅绒纤维1g，配制质量分数为5%的聚苯乙烯磺酸钠水溶液500g，聚苯乙烯磺酸钠的相对分子量为12000，将鹅绒纤维放入聚苯乙烯磺酸钠水溶液中浸泡168h，浸泡温度为50°C，调节pH为5，得到鹅绒纤维/聚苯乙烯磺酸钠分散溶液。称取1g十二烷基苯磺酸钠加入100mL去离子水中，机械搅拌1h后加入5g碳纳米管，碳纳米管的粒径是20nm，采用超声波处理5h后得到碳纳米管溶液，超声波处理温度为50°C。将上述鹅绒纤维/聚苯乙烯磺酸钠分散溶液和碳纳米管溶液按照体积比1:2的比例混合，混合后的溶液经超声波处理1h后，取出表面复合碳纳米管溶液的鹅绒纤维并放入60℃的烘箱中干燥3h后得到表面功能化的鹅绒纤维，鹅绒纤维表面功能层的厚度为2μm。
实施例三
按上述步骤：称取清洗干燥后的鸭绒纤维1g，配制质量分数为3%的聚苯乙烯磺酸钠水溶液300g，聚苯乙烯磺酸钠的相对分子量为8000，将鸭绒纤维放入聚苯乙烯磺酸钠水溶液中浸泡120h，浸泡温度为40°C，调节pH为4，得到鸭绒纤维/聚苯乙烯磺酸钠分散溶液。称取0.8g十二烷基磺酸钠加入100mL去离子水中，机械搅拌1h后加入3g银粒子，银粒子的粒径是30nm，采用超声波处理3h后得到银粒子溶液，超声波处理温度为40°C。将上述鸭绒纤维/聚苯乙烯磺酸钠分散溶液和银粒子溶液按照体积比1:1.5的比例混合，混合后的溶液经超声波处理1h后，取出表面复合银粒子溶液的鸭绒纤维并放入60℃的烘箱中干燥3h后得到表面功能化的鸭绒纤维，鸭绒纤维表面功能层的厚度为1μm。
实施例四
按上述步骤：称取清洗干燥后的鸭绒纤维1g，配制质量分数为1%的聚苯乙烯磺酸钠水溶液100g，聚苯乙烯磺酸钠的相对分子量为3000，将鸭绒纤维放入聚苯乙烯磺酸钠水溶液中浸泡72h，浸泡温度为25°C，调节pH为3，得到鸭绒纤维/聚苯乙烯磺酸钠分散溶液。称取0.5g十二烷基磺酸钠加入100mL去离子水中，机械搅拌1h后加入1g二氧化钛，二氧化钛的粒径是30nm，采用超声波处理1h后得到二氧化钛溶液，超声波处理温度为25°C。将上述鸭绒纤维/聚苯乙烯磺酸钠分散溶液和二氧化钛溶液按照体积比1:1的比例混合，混合后的溶液经超声波处理1h后，取出表面复合二氧化钛溶液的鸭绒纤维并放入60℃的烘箱中干燥3h后得到表面功能化的鸭绒纤维，鸭绒纤维表面功能层的厚度为0.1μm。
实施例五
按上述步骤：称取清洗干燥后的鸭绒纤维1g，配制质量分数为3%的聚苯乙烯磺酸钠水溶液300g，聚苯乙烯磺酸钠的相对分子量为8000，将鸭绒纤维放入聚苯乙烯磺酸钠水溶液中浸泡120h，浸泡温度为40°C，调节pH为4，得到鸭绒纤维/聚苯乙烯磺酸钠分散溶液。称取0.8g十二烷基苯磺酸钠加入100mL去离子水中，机械搅拌1h后加入3g四氧化三铁，四氧化三铁的粒径是100nm，采用超声波处理1h后得到四氧化三铁溶液，超声波处理温度为40°C。将上述鸭绒纤维/聚苯乙烯磺酸钠分散溶液和四氧化三铁溶液按照体积比1:1.5的比例混合，混合后的溶液经超声波处理3h后，取出表面复合四氧化三铁溶液的鸭绒纤维并放入60℃的烘箱中干燥3h后得到表面功能化的鸭绒纤维，鸭绒纤维表面功能层的厚度为1μm。
实施例六
按上述步骤：称取清洗干燥后的鸭绒纤维1g，配制质量分数为5%的聚苯乙烯磺酸钠水溶液500g，聚苯乙烯磺酸钠的相对分子量为12000，将鸭绒纤维放入聚苯乙烯磺酸钠水溶液中浸泡168h，浸泡温度为50°C，调节pH为5，得到鸭绒纤维/聚苯乙烯磺酸钠分散溶液。称取1g十二烷基磺酸钠加入100mL去离子水中，机械搅拌1h后加入5g四氧化三铁，四氧化三铁的粒径是100nm，采用超声波处理1h后得到四氧化三铁溶液，超声波处理温度为50°C。将上述鸭绒纤维/聚苯乙烯磺酸钠分散溶液和四氧化三铁溶液按照体积比1:2的比例混合，混合后的溶液经超声波处理1h后，取出表面复合四氧化三铁溶液的鸭绒纤维并放入60℃的烘箱中干燥5h后得到表面功能化的鸭绒纤维，鸭绒纤维表面功能层的厚度为2μm。
实施例七
按上述步骤：称取清洗干燥后的鹅绒纤维1g，配制质量分数为1%的聚苯乙烯磺酸钠水溶液100g，聚苯乙烯磺酸钠的相对分子量为3000，将鹅绒纤维放入聚苯乙烯磺酸钠水溶液中浸泡72h，浸泡温度为25°C，调节pH为3，得到鹅绒纤维/聚苯乙烯磺酸钠分散溶液。称取0.5g十二烷基磺酸钠加入100mL去离子水中，机械搅拌1h后加入1g碳纳米管，碳纳米管的粒径是20nm，采用超声波处理1h后得到碳纳米管溶液，超声波处理温度为25°C。将上述鹅绒纤维/聚苯乙烯磺酸钠分散溶液和碳纳米管溶液按照体积比1:1的比例混合，混合后的溶液经超声波处理1h后，取出表面复合碳纳米管溶液的鹅绒纤维并放入60℃的烘箱中干燥3h后得到表面功能化的鹅绒纤维，鹅绒纤维表面功能层的厚度为0.1μm。
实施例八
按上述步骤：称取清洗干燥后的鹅绒纤维1g，配制质量分数为3%的聚苯乙烯磺酸钠水溶液300g，聚苯乙烯磺酸钠的相对分子量为8000，将鹅绒纤维放入聚苯乙烯磺酸钠水溶液中浸泡120h，浸泡温度为40°C，调节pH为4，得到鹅绒纤维/聚苯乙烯磺酸钠分散溶液。称取0.8g对苯乙烯磺酸钠加入100mL去离子水中，机械搅拌1h后加入3g碳纳米管，碳纳米管的粒径是20nm，采用超声波处理3h后得到碳纳米管溶液，超声波处理温度为40°C。将上述鹅绒纤维/聚苯乙烯磺酸钠分散溶液和碳纳米管溶液按照体积比1:1.5的比例混合，混合后的溶液经超声波处理1h后，取出表面复合碳纳米管溶液的鹅绒纤维并放入60℃的烘箱中干燥3h后得到表面功能化的鹅绒纤维，鹅绒纤维表面功能层的厚度为1μm。
实施例九
按上述步骤：称取清洗干燥后的鸭绒纤维1g，配制质量分数为1%的聚苯乙烯磺酸钠水溶液100g，聚苯乙烯磺酸钠的相对分子量为3000，将鸭绒纤维放入聚苯乙烯磺酸钠水溶液中浸泡72h，浸泡温度为25°C，调节pH为3，得到鸭绒纤维/聚苯乙烯磺酸钠分散溶液。称取0.5g对苯乙烯磺酸钠加入100mL去离子水中，机械搅拌1h后加入1g银粒子，银粒子的粒径是30nm，采用超声波处理1h后得到银粒子溶液，超声波处理温度为25°C。将上述鸭绒纤维/聚苯乙烯磺酸钠分散溶液和银粒子溶液按照体积比1:1的比例混合，混合后的溶液经超声波处理1h后，取出表面复合银粒子溶液的鸭绒纤维并放入60℃的烘箱中干燥3h后得到表面功能化的鸭绒纤维，鸭绒纤维表面功能层的厚度为0.1μm。
实施例十
按上述步骤：称取清洗干燥后的鹅绒纤维1g，配制质量分数为5%的聚苯乙烯磺酸钠水溶液500g，聚苯乙烯磺酸钠的相对分子量为12000，将鹅绒纤维放入聚苯乙烯磺酸钠水溶液中浸泡168h，浸泡温度为50°C，调节pH为5，得到鹅绒纤维/聚苯乙烯磺酸钠分散溶液。称取1g十二烷基苯磺酸钠加入100mL去离子水中，机械搅拌1h后加入5g银粒子，银粒子的粒径是30nm，采用超声波处理5h后得到银粒子溶液，超声波处理温度为50°C。将上述鹅绒纤维/聚苯乙烯磺酸钠分散溶液和银粒子溶液按照体积比1:2的比例混合，混合后的溶液经超声波处理1h后，取出表面复合银粒子溶液的鹅绒纤维并放入60℃的烘箱中干燥3h后得到表面功能化的鹅绒纤维，鹅绒纤维表面功能层的厚度为2μm。
实施例十一
按上述步骤：称取清洗干燥后的鸭绒纤维1g，配制质量分数为3%的聚苯乙烯磺酸钠水溶液300g，聚苯乙烯磺酸钠的相对分子量为8000，将鸭绒纤维放入聚苯乙烯磺酸钠水溶液中浸泡120h，浸泡温度为40°C，调节pH为4，得到鸭绒纤维/聚苯乙烯磺酸钠分散溶液。称取0.8g对苯乙烯磺酸钠加入100mL去离子水中，机械搅拌1h后加入3g二氧化钛，二氧化钛的粒径是30nm，采用超声波处理3h后得到二氧化钛溶液，超声波处理温度为40°C。将上述鸭绒纤维/聚苯乙烯磺酸钠分散溶液和二氧化钛溶液按照体积比1:1.5的比例混合，混合后的溶液经超声波处理1h后，取出表面复合二氧化钛溶液的鸭绒纤维并放入60℃的烘箱中干燥3h后得到表面功能化的鸭绒纤维，鸭绒纤维表面功能层的厚度为1μm。
实施例十二
按上述步骤：称取清洗干燥后的鹅绒纤维1g，配制质量分数为5%的聚苯乙烯磺酸钠水溶液300g，聚苯乙烯磺酸钠的相对分子量为12000，将鹅绒纤维放入聚苯乙烯磺酸钠水溶液中浸泡168h，浸泡温度为50°C，调节pH为5，得到鹅绒纤维/聚苯乙烯磺酸钠分散溶液。称取1g十二烷基苯磺酸钠加入100mL去离子水中，机械搅拌1h后加入5g二氧化钛，二氧化钛的粒径是30nm，采用超声波处理5h后得到二氧化钛溶液，超声波处理温度为50°C。将上述鹅绒纤维/聚苯乙烯磺酸钠分散溶液和二氧化钛溶液按照体积比1:2的比例混合，混合后的溶液经超声波处理1h后，取出表面复合二氧化钛溶液的鹅绒纤维并放入60℃的烘箱中干燥3h后得到表面功能化的鹅绒纤维，鹅绒纤维表面功能层的厚度为2μm。
Claims (4)
1.一种羽绒纤维表面复合功能纳米粒子的方法，其特征在于：所述方法采用以下步骤：
a羽绒纤维/聚苯乙烯磺酸钠分散溶液的配制
将清洗干燥后的羽绒纤维放入质量分数为1%~5%的聚苯乙烯磺酸钠水溶液中浸泡72-168h，浸泡温度为25-50℃，调节pH为3~5，其中，羽绒纤维与聚苯乙烯磺酸钠水溶液的质量比为1:100-1:500；
b功能纳米粒子溶液的配制
将磺酸基分散剂加入去离子水中，机械搅拌1h后加入功能纳米粒子，采用超声波处理1h后得到功能纳米粒子溶液，超声波处理温度为25-50℃，其中，磺酸基分散剂的质量分数为0.5%-1%，功能纳米粒子的质量分数为1%-5%；
c羽绒纤维的表面复合
将经步骤a、步骤b得到的羽绒纤维/聚苯乙烯磺酸钠分散溶液和功能纳米粒子溶液按照体积比1:1-1:2的比例混合，混合后的溶液经超声波处理1-5h后，取出表面复合功能纳米粒子溶液的羽绒纤维并放入烘箱中干燥3h后得到表面功能化的羽绒纤维，烘箱的温度为60℃，羽绒纤维表面功能层的厚度为0.1-2μm。
2.根据权利要求1所述的一种羽绒纤维表面复合功能纳米粒子的方法，其特征在于：所述的聚苯乙烯磺酸钠的相对分子量为3000-12000。
3.根据权利要求1所述的一种羽绒纤维表面复合功能纳米粒子的方法，其特征在于：所述的磺酸基分散剂是对苯乙烯磺酸钠或十二烷基苯磺酸钠或十二烷基磺酸钠中的一种。
4.根据权利要求1所述的一种羽绒纤维表面复合功能纳米粒子的方法，其特征在于：所述的功能纳米粒子为四氧化三铁或碳纳米管或银粒子或二氧化钛中的一种，粒径≤100nm。
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