CN107916561B - 一种磁性超疏水织物及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种磁性超疏水织物及其制备方法。该制备方法先将普通织物浸入含聚二甲基硅氧烷、硅烷偶联剂改性的四氧化三铁粒子和有机溶剂的混合溶液中搅拌；将织物取出后置于磁铁下方1‐5mm处在室温下保持10‐60min，在溶剂挥发的同时四氧化三铁粒子会受磁场的作用逐渐向织物上的聚二甲基硅氧烷表层迁移；最后，将织物置于80‐130℃的温度下使聚二甲基硅氧烷发生热固化形成交联结构，制得表面呈微纳粗糙结构的磁性超疏水织物。本发明工艺简单，所制备的超疏水织物的正面水接触角达到167°且水滴易滚动，反面水接触角达到154°且水滴易被粘附。此外，织物还具有良好的磁性，饱和磁化强度达到1.285emu/g。
Description
技术领域
本发明涉及一种超疏水材料，具体涉及一种磁性超疏水织物及其制备方法。
背景技术
超疏水织物凭借其在自清洁、防覆冰、防污染、阻燃、油水分离等领域的重要应用价值，引起了人们的广泛关注，是目前功能纺织品的热点之一。受自然界中“荷叶效应”的启发，人们发现固体表面的超疏水性是由表面的微纳几何粗糙结构和低表面能物质共同决定的。基于此原理，研究者们提出了气相沉积法、化学刻蚀法、溶胶凝胶法、静电纺丝法、层层自组装法、喷涂法等多种构造超疏水织物的方法。例如，Xue,C.H.等人结合碱液刻蚀和巯基点击化学反应在织物表面构造了超疏水涂层(J.Mater.Chem.A 2015,3,21797‐21804)，中国发明专利CN104562709通过氧化银颗粒的沉积和低表面能物质的修饰制备了一种稳定超疏水织物。但是，这些方法仍存在制备工艺繁琐、反应条件苛刻、织物性能单一等缺点。
中国发明专利申请2016100795436公开了一种超疏水织物及其构筑方法，构筑方法通过将甲基三甲基硅氧烷作为制备硅凝胶的原料，同时将纺织品浸渍在硅凝胶溶液与聚二甲基硅氧烷的混合溶液中，使得制备得到的疏水织物不易脱落，且机械性能好，而且，本发明提供的构筑方法，浸渍完成后，通过直接自然晾干即可得到超疏水表面，不需加热烘干，进而极大的降低了生产成本，也简化了构筑方法，且浸渍用的混合溶液性质稳定，可多次使用；同时，本发明得到的超疏水织物的防水性能和透气性能也很好。中国发明专利申请2016100795436需要加入较多的硅凝胶以构造粗糙度；而且该发明制备的超疏水织物正反面具有相似的粗糙结构，功能单一，不具有磁性，无法应用于吸波材料、吸热材料、医用衣物等领域，应用范围窄。
发明内容
本发明针对目前超疏水织物制备过程复杂、反应条件苛刻和功能单一等缺点，提供一种操作简单、成本低廉的超疏水织物的制备方法，所得织物具有良好的磁性和优异的超疏水性，且织物正反面对水滴具有不同的粘附性。
本发明的目的通过如下技术方案实现：
一种磁性超疏水织物的制备方法：
(1)按质量份数计，将1‐5份的四氧化三铁纳米粒子加入到50‐150份的乙醇中超声分散10‐60min，再将0.5‐1.0份的硅烷偶联剂和0.5‐3份的水加入，在室温下机械搅拌3‐12h，然后在8000‐12000rpm转速下离心10‐40min，将所得产物在40‐60℃温度下真空干燥1‐12h，即得改性四氧化三铁纳米粒子。
(2)按质量份数计，将1‐3份的改性四氧化三铁纳米粒子和6‐10份的聚二甲基硅氧烷加入到100‐160份的有机溶剂中超声分散10‐60min，然后将织物放入并在室温下以100‐300rpm的速度机械搅拌20‐60min。将织物取出后置于磁铁下方1‐5mm处保持10‐60min，在溶剂挥发的同时四氧化三铁粒子会受磁场的作用逐渐向织物上的聚二甲基硅氧烷表层迁移；最后将织物在80‐130℃的温度下放置0.5‐2h，使聚二甲基硅氧烷发生热固化形成交联结构，制得表面呈微纳粗糙结构的磁性超疏水织物。
为进一步实现本发明目的，优选地，所述四氧化三铁纳米粒子的尺寸为20‐100nm。
优选地，所述硅烷偶联剂为十三氟辛基三甲氧基硅烷、十三氟辛基三乙氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷、γ‐甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、巯丙基三乙氧基硅烷和氨丙基三乙氧基硅烷中的任意一种。
优选地，所述聚二甲基硅氧烷为美国道康宁Sylgard 184和Sylgard 186的任意一种中的A组分，使用时需同时添加B组分，A、B组分的混合质量比为10:1。
优选地，所述有机溶剂为四氢呋喃、甲苯和己烷中的任意一种。
优选地，所述磁铁的磁感应强度为0.5‐1.0特斯拉，且磁铁的横截面积要大于织物的面积(以能够覆盖织物为准)。
优选地，所述普通织物为聚酯、棉、羊毛、腈纶、聚氨酯和尼龙中的任意一种。
一种磁性超疏水织物，由上述的制备方法制得。该织物的正面水接触角为155.5°‐167°，且水滴易滚落，反面水接触角达到150°‐154°，且水滴易被粘附；织物的饱和磁化强度达到1.285emu/g。
本发明一种磁性超疏水织物的制备方法，首先将织物浸入含聚二甲基硅氧烷、硅烷偶联剂改性的四氧化三铁粒子和有机溶剂的混合溶液中机械搅拌；其次将取出的织物置于磁场条件下并固化，得到具有粗糙结构的磁性超疏水织物。本发明工艺简单，所制备的超疏水织物的正面水接触角达到155.5°‐167°且水滴易滚动，反面水接触角达150.0°‐154°且水滴易被粘附。尤其是，织物还具有良好的磁性，通过磁场驱动该超疏水织物可以实现油水分离，在海洋表面油污处理方面具有重要的应用价值。此外，该磁性超疏水织物可以作为吸波材料、吸热材料等，在军事和国防方面具有潜在的应用前景。
本发明所述的磁性超疏水涂层的制备方法，与现有技术相比，具有如下优点：
1)中国发明专利申请2016100795436需要加入较多的硅凝胶以构造粗糙度，而本发明通过磁场控制使氧化铁颗粒向聚二甲基硅氧烷表层聚集，使用较少的氧化铁颗粒用量即可实现明显的粗糙度。
2)中国发明专利申请2016100795436制备的超疏水织物正反面具有相似的粗糙结构，功能单一，不具有磁性，无法应用于吸波材料、吸热材料、医用衣物等领域，应用范围窄。而本发明制备的磁性超疏水织物除了可应用于油水分离，还可作为吸波材料、吸热材料等在军事和国防方面得到应用。
3)本发明在磁场条件下使改性的四氧化三铁粒子向织物上的聚二甲基硅氧烷表层迁移以构造粗糙度，具有工艺简单、条件温和、无需昂贵设备等优点，且制备的超疏水织物具有磁性。
4)本发明制备的超疏水织物正反两面接触角均大于150°，但水滴对其具有不同的粘附性，其中正面水滴易滚落，反面水滴易被粘附，拓宽了超疏水材料的应用领域。
附图说明
图1为实施例1制备的磁性超疏水织物正面的扫描电镜图(图像放大倍数为2000倍)。
图2为实施例1制备的磁性超疏水织物反面的扫描电镜图(图像放大倍数为2000倍)。
具体实施方案
为更好地理解本发明，下面结合实施例对本发明作进一步说明，但是本发明的实施方式不限于此。
实施例1
将2g粒径为20‐40nm的四氧化三铁纳米粒子加入到75g乙醇中超声分散10min，再将0.5g十三氟辛基三乙氧基硅烷和1g水加入，在室温下机械搅拌12h，然后在8000rpm转速下离心40min，将所得产物在60℃温度下真空干燥1h，即得改性四氧化三铁纳米粒子；
将0.22g改性四氧化三铁纳米粒子和0.5g Sylgard 184 A组分及0.05g B组分加入到6.875g甲苯中超声分散30min，然后将2cm×2cm的聚酯织物放入并在室温下以300rpm的速度机械搅拌30min，将织物取出后置于横截面为圆形且半径为2cm的磁铁下方2mm处保持10min；最后将织物在80℃的温度下放置2h，制得表面呈微纳粗糙结构的磁性超疏水织物。
制备的超疏水织物的正面扫描电镜图如图1所示，可以看出，织物表面呈现明显的微纳粗糙结构，其中凸起部分为改性四氧化三铁粒子。这主要是因为在溶剂甲苯挥发且伴随着体系粘度逐渐变大的过程中，改性四氧化三铁粒子在磁场的作用下会向织物上的聚二甲基硅氧烷表层迁移并形成聚集。在升高温度的情况下，聚二甲基硅氧烷发生热固化形成化学交联结构，四氧化三铁就固定在交联的聚二甲基硅氧烷表层形成微纳粗糙结构。超疏水织物的反面扫描电镜图如图2所示，织物表面粗糙度较小，这主要是由于四氧化三铁纳米粒子向磁铁方向运动，织物反面被聚二甲基硅氧烷覆盖而变得平滑，仅存在少量凸起的四氧化三铁粒子。
为了评价超疏水织物正反面的疏水性，对水滴在其正面和反面的接触角及粘附性进行测量，粘附性具体测试方法为：采用德国KRUSS公司的DSA100测试仪，将本实施例制备的超疏水织物固定在滚动角测试平台上。旋转平台，若水滴在平台旋转至90°前已落下，则记为滚落，反之则记为粘附，所得结果列于表1。从表1可以看出，本实施例所制备的磁性织物正面的水接触角为167°，水滴易滚落；而织物反面的水接触角虽然达154°，但水滴易被粘附。
为了评价超疏水织物的磁性，采用PPMS综合物性测量系统(Quantum,USA)对织物进行磁性测量，所得结果列于表2。从表2可以看出，本实施例所制备的织物的饱和磁化强度达到1.182emu/g，表现出良好的磁性。通过磁场驱动超疏水织物的运动可以实现油水分离，在海洋表面油污处理方面具有重要的应用价值。此外，该磁性超疏水织物还可以作为吸波材料、吸热材料等，在军事和国防方面具有潜在的应用前景。
实施例2
将1g粒径为80‐100nm的四氧化三铁纳米粒子加入到50g乙醇中超声分散30min，再将0.6g巯丙基三乙氧基硅烷和2g水加入，在室温下机械搅拌3h，然后在12000rpm转速下离心10min，将所得产物在40℃温度下真空干燥12h，即得改性四氧化三铁纳米粒子；将0.033g改性四氧化三铁纳米粒子和0.3g Sylgard 184 A组分及0.03g B组分加入到3.3g四氢呋喃中超声分散10min，然后将2cm×2cm的棉织物放入并在室温下以200rpm的速度机械搅拌20min，将织物取出后置于横截面为4cm×4cm大小的磁铁下方1mm处保持60min；最后将织物在130℃的温度下放置0.5h，制得表面呈微纳粗糙结构的磁性超疏水织物。
表1列出了本实施例制备的磁性超疏水织物正反面的水接触角以及对水滴的粘附性，表2列出了本实施例制备的磁性超疏水织物的饱和磁化强度。从表1可以看出，本实施例所制备的磁性超疏水织物正面的水接触角为155.5°，水滴易滚落；而织物反面的水接触角虽然达150°，但水滴易被粘附。从表2可以看出，本实施例所制备的磁性超疏水织物的饱和磁化强度达到0.616emu/g，表现出良好的磁性。
实施例3
将5g粒径为60‐80nm的四氧化三铁纳米粒子加入到150g乙醇中超声分散60min，再将1g氨丙基三乙氧基硅烷和3g水加入，在室温下机械搅拌12h，然后在10000rpm转速下离心20min，将所得产物在50℃温度下真空干燥6h，即得改性四氧化三铁纳米粒子；将0.11g改性四氧化三铁纳米粒子和0.4g Sylgard 184 A组分及0.04g B组分加入到12.57g己烷中超声分散20min，然后将半径为2cm的圆形尼龙织物放入并在室温下以100rpm的速度机械搅拌60min，将织物取出后置于横截面为圆形且半径为3cm的磁铁下方5mm处保持60min；最后将织物在100℃的温度下放置1h，制得表面呈微纳粗糙结构的磁性超疏水织物。
表1列出了本实施例制备的磁性超疏水织物正反面的水接触角以及对水滴的粘附性，表2列出了本实施例制备的磁性超疏水织物的饱和磁化强度。从表1可以看出，本实施例所制备的磁性超疏水织物正面的水接触角为162°，水滴易滚落；而织物反面的水接触角虽然达153.5°，但水滴易被粘附。从表2可以看出，本实施例所制备的磁性超疏水织物的饱和磁化强度达到0.805emu/g，表现出良好的磁性。
实施例4
将1g粒径为40‐60nm的四氧化三铁纳米粒子加入到100g乙醇中超声分15min，再将0.8g氨丙基三乙氧基硅烷和1.5g水加入，在室温下机械搅拌8h，然后在10000rpm转速下离心20min，将所得产物在60℃温度下真空干燥4h，即得改性四氧化三铁纳米粒子；将0.275g改性四氧化三铁纳米粒子和0.5g Sylgard 184 A组分及0.05g B组分加入到9.17g己烷中超声分散20min，然后再将2cm×3cm的腈纶织物放入并在室温下以200rpm的速度机械搅拌40min，将织物取出后置于横截面为5cm×5cm大小的磁铁下方2mm处保持20min；最后将织物在100℃的温度下放置1h，制得表面呈微纳粗糙结构的磁性超疏水织物。
表1列出了本实施例制备的磁性超疏水织物正反面的水接触角以及对水滴的粘附性，表2列出了本实施例制备的磁性超疏水织物的饱和磁化强度。从表1可以看出，本实施例所制备的磁性超疏水织物正面的水接触角为166.5°，水滴易滚落；而织物反面的水接触角虽然达154°，但水滴易被粘附。从表2可以看出，本实施例所制备的磁性超疏水织物的饱和磁化强度达到1.285emu/g，表现出良好的磁性。
表1为本发明实施例磁性超疏水织物正反面的水接触角以及对水滴的粘附性；
表1
注：采用德国KRUSS公司的DSA100测试仪对接触角进行测试，每个样品取5个点计算平均值。
表2为本发明实施例磁性超疏水织物的饱和磁化强度。
表2
注：采用美国Quantum公司的PPMS综合物性测量系统对磁性进行测试。
Claims (10)
1.一种磁性超疏水织物的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）按质量份数计，将1-5份的四氧化三铁纳米粒子加入乙醇中超声分散，再加入0.5-1.0份的硅烷偶联剂和0.5-3份水，搅拌，然后在8000-12000rpm转速下心处理，将所得产物真空干燥，即得改性四氧化三铁纳米粒子；
（2）按质量份数计，将1-3份的改性四氧化三铁纳米粒子和6-10份的聚二甲基硅氧烷加入到100-160份的有机溶剂中超声分散，然后将织物放入并在室温下以100-300rpm的速度机械搅拌20-60min；将织物取出后置于磁铁下方1-5 mm处保持10-60min，在溶剂挥发的同时四氧化三铁粒子会受磁场的作用逐渐向织物上的聚二甲基硅氧烷表层迁移；最后将织物在80-130oC的温度下放置0.5-2h，使聚二甲基硅氧烷发生热固化形成交联结构，制得表面呈微纳粗糙结构的磁性超疏水织物。
2.根据权利要求1所述的磁性超疏水织物的制备方法，其特征在于：所述的四氧化三铁纳米粒子的尺寸为20-100nm。
3.根据权利要求1所述的磁性超疏水织物的制备方法，其特征在于：所述硅烷偶联剂为十三氟辛基三甲氧基硅烷、十三氟辛基三乙氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、巯丙基三乙氧基硅烷和氨丙基三乙氧基硅烷中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的磁性超疏水织物的制备方法，其特征在于：所述聚二甲基硅氧烷为美国道康宁Sylgard 184和Sylgard 186的任意一种中的A组分，使用时需同时添加B组分，A、B组分的混合质量比为10:1；其中A组分为基本组分，属于双键封端的聚二甲基硅氧烷，B组分为固化剂，属于多官能度的含硅氢键的聚二甲基硅氧烷。
5.根据权利要求1所述的磁性超疏水织物的制备方法，其特征在于：所述有机溶剂为四氢呋喃、甲苯和己烷中的任意一种。
6.根据权利要求1所述的磁性超疏水织物的制备方法，其特征在于：以质量份数计，所述乙醇的用量为50-150份；步骤（1）和步骤（2）所述超声分散的时间都为10-60min；步骤（1）的搅拌为机械搅拌，搅拌的时间为3-12h；步骤（1）的离心处理为在8000-12000rpm转速下离心10-40min；步骤（1）的真空干燥为在40-60oC温度下真空干燥1-12h。
7.根据权利要求1所述的磁性超疏水织物的制备方法，其特征在于：所述磁铁的磁感应强度为0.5-1.0特斯拉，且磁铁的横截面积要大于织物的面积。
8.根据权利要求1所述的磁性超疏水织物的制备方法，其特征在于：所述普通织物为聚酯、棉、羊毛、腈纶、聚氨酯和尼龙中的任意一种。
9.一种磁性超疏水织物，其特征在于由权利要求1-7任一项所述的制备方法制得。
10.根据权利要求8所述的磁性超疏水织物，其特征在于：该织物的正面水接触角为155.5°-167o，且水滴易滚落，反面水接触角达到150 o -154o，且水滴易被粘附；织物的饱和磁化强度达到1.285 emu/g。
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| GR01 | Patent grant | ||
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