CN107254805B - 一种纸张的疏水改性方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种纸张的疏水改性方法，该方法包括：将疏水改性剂聚己内酯打印至纸张表面，再经加热、降温冷却，使疏水改性剂凝固在纸张表面和内部，得到疏水改性的纸基芯片。本发明方法不仅步骤简单，而且所使用的疏水改性剂成本低，疏水改性剂成分相对简单，对后续分析结果影响小；此外，采用3D打印技术可以制作形状复杂且有一定高度的疏水区域，能为后续的分析等应用提供便利，具有良好应用前景。

Description

一种纸张的疏水改性方法
技术领域
本发明涉及医药技术领域，尤其涉及一种纸张的疏水改性方法。
背景技术
以纸张为基质制备化学、生物及医药领域的分析材料，已经有很多成功先例，如：验孕试纸和pH值试纸等。目前，医药领域的纸基芯片研究方兴未艾。
将纸基芯片用于分析检测，可能的优势包括：第一，纸张的成本很低，有利于降低分析成本；第二，采用白色纸张，可以在上面进行显色反应，就可能直接用肉眼或者智能手机测定显色结果，不需要采用专业的分析设备，检测成本较低；第三，用过的纸基芯片可以燃烧销毁，处理方便；第四，纸张本身具备一定的层析分离能力，有利于开展复杂体系的选择性检测；第五，纸张表面进行溶液反应，所需要的溶液量较低，可以减少昂贵试剂的用量。
制备纸基芯片的方法较多，主要包括蜡印法、烷基烯酮二聚体(AKD)改性法和剪纸法等多种。
其中，剪纸法利用纸张的形状控制液体的流动区域，但是制备结构复杂的纸基芯片难度大，效率低。蜡印法和烷基烯酮二聚体改性法是通过使纸张表面出现疏水区域来控制液体的流动和反应区域。蜡印法需要采用专门的蜡印机，其价格至少在数万元，设备成本较高。而烷基烯酮二聚体改性法可以采用喷墨打印机实现，设备便宜，但是作为改性剂的烷基烯酮二聚体必须制成水溶性乳液。为了维持水溶性乳液的稳定性，其中必须添加大量乳化剂，这些乳化剂在纸张疏水改性后去除困难，可能会对后续分析产生不良影响。
因此，纸基芯片的制备仍然需要低成本且有利于后续分析检测的纸张表面改性技术。
发明内容
本发明提供了一种纸张的疏水改性方法，该方法简便易行，改性剂的成本低廉、成分简单。
一种纸张的疏水改性方法，将疏水改性剂聚己内酯打印至纸基芯片表面，再经加热、降温冷却，使疏水改性剂凝固在纸张的表面和内部，得到疏水改性的纸张。
经实验发现，聚己内酯具有不溶于水且熔点低的特性，在70℃以下加热即可变成液体，从而渗入纸张的缝隙中，得到疏水改性的纸张；而其他不溶于水的固体聚合物一般熔点较高，需要较高的加热温度，打印后需要高温才能熔化或者熔化后长时间才能渗入纸张缝隙中实现改性。但是，高温长时间加热容易将纸张点燃或者使纸张发黄，无法实现本发明目的。
此外，实验表明，聚己内酯的生物相容性好，可用于制备控释药物载体或者细胞培养基架，所以在聚己内酯改性后的纸张上开展药物生物活性评价时，不必担心细胞中毒或者蛋白失活。另外，聚己内酯生物可降解性能好，在土壤和水中12个月内即可分解为水和二氧化碳，不会对环境造成长期影响。
除了一些特种纸外，纸张一般都是由植物纤维制成的薄片，本身具有良好的亲水性，根据制法和用途可以分为很多种类，作为优选，所述纸张为滤纸、打印纸或白板纸；此类纸张用料成本低廉，利于纸基芯片的推广。
将聚己内酯放置于纸张表面进行加热后，也可以使得聚己内酯融入纸张的缝隙内，得到疏水改性的纸张。但是，这种方法得到的疏水区域边缘形状控制较难。由于纸基芯片在应用时通常需要对疏水区域进行严格的形状控制，所以，仅仅采用简单地将聚己内酯放置于纸张表面再加热改性的方法无法实现纸张在检测领域的应用。
作为优选，所述打印的方式为3D打印，该打印方式至少有两个优点，第一，打印出聚己内酯的形状和结构控制容易；第二，聚己内酯刚打印出来时能紧密粘在纸张表面，有利于加热改性后疏水区域边缘形状控制。目前，也还没有其他打印方式(如喷墨打印等)能把聚己内酯打印于纸张表面。
3D打印常用材料众多，例如ABS塑料、PLA塑料、尼龙铝粉材料等；但上述材料因熔点较高，若采用这些材料进行打印和改性时，必须用较高的加热温度，那么在打印过程中容易将纸张点燃，无法实现本发明目的；打印蜡虽然熔点不高，但是需要长时间加热才能充分渗入纸张中，容易使纸片发黄变皱，也不利于后续检测。此外，在3D打印过程中，还需要注意以下问题：打印机喷头和纸片之间的距离不能太远，否则打出来的聚己内酯不能很好地粘在纸上。作为优选，所述距离为0.2～5mm，距离的选择与3D打印机的型号有关。
为了保证纸张能够按需要实现严格的疏水改性，加热的温度、时间以及降温冷却的温度和时间均需要严格控制。
具体地，步骤(2)中，所述加热烘干的温度为60～160℃，时间为1min～24h。
加热温度越高，聚己内酯熔化渗入滤纸内部孔道的时间越短；温度过低聚己内酯熔化很慢，需要长时间才渗入滤纸内部孔道；过高的温度还会导致纸片发黄甚至燃烧；作为优选，所述加热烘干的温度为80～140℃，时间为1～4h。
具体地，步骤(3)中，所述降温冷却的温度为-20～59℃，时间为1min～24h。
降温冷却的目的是使熔化的聚己内酯又恢复固态；冷却温度太高，聚己内酯固化需要的时间较长。作为优选，所述降温冷却的温度为10～35℃，时间为10～30min。
本发明疏水改性后的纸张可用于制备纸基芯片，应用于检测领域。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明采用打印技术将疏水改性剂聚己内酯打印至纸基芯片表面，再通过加热、降温冷却使疏水改性剂凝固在纸基芯片上，获得疏水改性纸基芯片；不仅步骤简单，而且所使用的疏水改性剂成本低，疏水改性剂成分相对简单，对后续分析结果影响小。
(2)本发明方法在实现疏水改性的同时，采用3D打印能够使疏水区域具备一定高度，有利于开展需要液体量较多的检测。
附图说明
图1为实施例1中聚己内酯覆盖于滤纸表面的图片。
图2为实施例1中经聚己内酯改性后的滤纸表面的图片；
其中，A为滤纸表面；B为滤纸背面。
图3为实施例1中在改性后的滤纸上滴加红墨水的结果图；
其中，A为滤纸表面；B为滤纸背面。
图4为对比例1中以打印蜡为材料打印之后加热改性的结果图。
图5为对比例2中以PLA为材料打印之后加热改性的结果图。
具体实施方式
实施例1
一种纸张的疏水改性方法，具体包括以下步骤：
(1)取直径为12cm的定量滤纸一张，用3D打印机将聚己内酯打印至滤纸表面，打印结束后，滤纸表面覆盖有聚己内酯，如图1所示；
(2)将表面上覆盖有聚己内酯的滤纸置于烘箱中，控制温度为160℃，加热1min，使聚己内酯溶化渗入到滤纸中；
(3)将加热烘干后的滤纸从烘箱中取出，置于室温下冷却24h，得到疏水改性的滤纸，如图2所示。
在改性后的滤纸上滴加红墨水，结果如图3所示。由图3可见，聚己内酯凝固后在纸张上形成了疏水区域，疏水改性成功。
实施例2
一种纸张的疏水改性方法，具体包括以下步骤：
(1)取直径为12cm的白板纸一张，用3D打印机将聚己内酯打印至白板纸表面，打印结束后，滤纸表面覆盖有聚己内酯；
(2)将表面上覆盖有聚己内酯的白板纸置于烘箱中，控制温度为60℃，加热24h，使聚己内酯溶化渗入到白板纸中；
(3)将加热烘干后的白板纸从烘箱中取出，置于-20℃下冷却1min，得到疏水改性的白板纸。
在改性后的白板纸上滴加红墨水，发现聚己内酯凝固后在纸张上形成了疏水区域，疏水改性成功。
实施例3
一种纸张的疏水改性方法，具体包括以下步骤：
(1)取70g打印纸一张，用3D打印机将聚己内酯打印至打印纸表面，打印结束后，打印纸表面覆盖有聚己内酯；
(2)将表面上覆盖有聚己内酯的打印纸置于烘箱中，控制温度为100℃，加热6h，使聚己内酯溶化渗入到打印纸中；
(3)将加热烘干后的打印纸从烘箱中取出，置于59℃下冷却240min，得到疏水改性的打印纸。
在改性后的打印纸上滴加红墨水，发现聚己内酯凝固后在纸张上形成了疏水区域，疏水改性成功。
对比例1
一种纸张的疏水改性方法，具体包括以下步骤：
(1)取70g打印纸一张，用3D打印机将打印蜡打印至打印纸表面，打印结束后，打印纸表面覆盖有打印蜡；
(2)将表面上覆盖有打印蜡的打印纸置于烘箱中，控制温度为160℃，加热8h，使打印蜡溶化渗入到打印纸中；
(3)将加热烘干后的打印纸从烘箱中取出，置于25℃下冷却60min，得到疏水改性的打印纸。
如图4所示，以打印蜡为材料打印之后加热改性，纸片有些发黄变皱。
对比例2
一种纸张的疏水改性方法，具体包括以下步骤：
(1)取70g打印纸一张，用3D打印机将PLA打印至打印纸表面，打印结束后，打印纸表面覆盖有PLA；
(2)将表面上覆盖有PLA的打印纸置于烘箱中，控制温度为180℃，加热8h，试图使PLA溶化渗入到打印纸中；
(3)将加热烘干后的打印纸从烘箱中取出，置于25℃下冷却60min，未能得到疏水改性的打印纸。
如图5所示，以PLA为材料打印之后加热改性，由于PLA未能熔化渗入纸张中所以没有成功。

Claims (6)

1.一种纸张的疏水改性方法，包括：将疏水改性剂聚己内酯打印至纸基芯片表面，再经加热、降温冷却，使疏水改性剂凝固在纸张的表面和内部，得到疏水改性的纸张；
所述加热的温度为60～160℃，时间为1min～24h。
2.如权利要求1所述的疏水改性方法，其特征在于，所述打印的方式为3D打印。
3.如权利要求1所述的疏水改性方法，其特征在于，所述纸张为滤纸、打印纸或白板纸。
4.如权利要求1所述的疏水改性方法，其特征在于，所述加热烘干的温度为80～140℃，时间为1～4h。
5.如权利要求1所述的疏水改性方法，其特征在于，所述降温冷却的温度为-20～59℃，时间为1min～24h。
6.如权利要求1所述的疏水改性方法，其特征在于，所述降温冷却的温度为10～35℃，时间为10～30min。
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