CN108530585A - 一种pH响应性植物纤维功能材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种pH响应性植物纤维功能材料及其制备方法和应用，以植物纤维为基体，在其表面通过自由基引发接枝阴性pH响应基团和阳性pH响应基团；通过控制阴性pH响应单体和阳性pH响应单体在反应体系中的浓度分别保持在0.138～0.552mol/L和0.14～0.56mol/L，以及控制单体的加入顺序，使植物纤维表面接枝的阴性pH响应基团和阳性pH响应基团的质量比为1:2～4或2～4:1，基团在植物纤维表面总的接枝率为50～80％，从而使材料在较窄pH范围内具有较高的pH响应性灵敏度，实现材料亲水疏油性和亲油疏水性之间的双向智能转换，该材料油水分离效率高，再生稳定性好，具有良好的环境适用性。
Description
技术领域
本发明属于纤维材料表面改性领域，具体涉及一种pH响应性植物纤维功能材料及其制备方法和应用。
背景技术
随着世界经济的高速发展，出现了越来越多的环境问题。含油污水排放问题和溢油问题日益严重，这些环境问题对生态平衡和人类健康构成了严重威胁。例如，2013年泰国罗勇府海域原油泄漏，致使大范围的海域被原油污染，导致大量海洋动物生存环境被破坏而窒息死亡。另外，如果发动机中含有水分杂质的油，不仅会减短发动机的使用寿命，还会对运输造成安全隐患。含油污水以及含有水分杂质的油的净化问题，以及如何有效地进行油水分离是一个全球性的科学界以及工业生产上亟待解决的问题和挑战。
油水分离的常用方法有沉降分离法、粗粒化法、气浮法、吸附法和膜分离法，但是这些方法所采用的材料其功能单一，只能单一实现“除水”或者“除油”，不能根据需要来实现“除水”和“除油”之间的性能转换。为了解决这些问题，现有技术利用材料表面润湿性的变化来制备响应性油水分离材料，这些材料能随着外部环境如温度、pH值、电场、溶剂或光的改变而改变其表面润湿性。由此，可以为解决油水分离的问题提供新的思路和方法。
目前，现有的pH响应性材料不可调节或者自行设计，无法应对复杂多变的外界环境。现有的pH响应性材料大多利用两性单体聚合形成两性聚合物然后涂布于纸基表面与纸基物理结合，聚合物易脱落，再生性能差。现有的pH响应性材料在制备过程中容易出现pH响应单体均聚现象，以至于在pH响应性材料表面形成一种均聚物，进而影响油水分离的效率以及pH响应单体在纤维上的接枝率。现有的pH响应性材料灵敏度不高，无法在小范围pH值之间实现润湿性的转变。现有的pH响应性材料在进行油水分离时，容易受到环境的限制而降低其油水分离效率，造成材料损耗，且其生物性能较差，在使用过程中会对环境造成二次污染。因此，制备一种pH响应性灵敏度高、油水分离效率高、适用环境范围广，且环境友好的油水分离材料显得更加迫切和重要。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术的不足，提供一种pH响应性植物纤维功能材料及其制备方法和应用，该材料在较窄pH范围内具有较高的pH响应性灵敏度，可通过调节处理液pH值的变化，可实现材料亲水疏油性和亲油疏水性之间的双向智能转换，从而实现对油水混合物的可控分离，该材料油水分离效率高，再生稳定性好，具有良好的环境适用性。
本发明的目的是提供一种pH响应性植物纤维功能材料；
本发明的另一目的是提供上述pH响应性植物纤维功能材料的制备方法；
本发明的再一目的是提供上述pH响应性植物纤维功能材料的应用。
本发明上述目的是通过以下技术方案予以实现：
一种pH响应性植物纤维功能材料，以植物纤维为基体，在其表面通过自由基引发接枝阴性pH响应基团和阳性pH响应基团，所述植物纤维表面接枝的阴性pH响应基团和阳性pH响应基团的质量比为1:2～4或2～4:1，阴性pH响应基团和阳性pH响应基团在植物纤维表面总的接枝率为50～80％。
优选地，所述阴性pH响应单体为丙烯酸、丁烯酸、戊烯酸、己烯酸、庚烯酸、辛烯酸、壬烯酸、癸烯酸、3-苯基-2-丙烯酸、顺丁烯二酸、反丁烯二酸或2-甲基-4-己烯酸；所述阳性pH响应单体为丙烯酰胺、丁烯酰胺、戊烯酰胺、己烯酰胺、庚烯酰胺、辛烯酰胺、壬烯酰胺、癸烯酰胺、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺或N,N-二甲基丙酰胺。
优选地，所述引发剂为硝酸铈铵、硫酸亚铁铵、过氧化环己酮、过氧化二苯甲酰、叔丁基过氧化氢、偶氮二异丁腈或偶氮二异庚腈。
优选地，所述植物纤维为针叶木浆纤维、阔叶木浆纤维、竹浆纤维或蔗渣浆纤维。
上述pH响应性植物纤维功能材料的制备方法，具体包括如下步骤：
S1.将植物纤维充分分散于水中，加入引发剂，在200～300rpm的搅拌速度下，通入10～40min的氮气除氧，得到植物纤维分散液；所述植物纤维、水和引发剂的质量比为1:400～600:1.2～2.4；
S2.将阴性pH响应单体溶于步骤S1制得的植物纤维分散液中，在40～90℃恒温、150～200rpm搅拌速度的条件下反应，采用衰减全反射-紫外/可见光谱技术实时分析接枝过程中反应体系中的阴性pH响应单体浓度，调控阴性pH响应单体的浓度保持在0.138～0.552mol/L，反应时间控制在3～7h，得到具有阴性pH响应性的植物纤维分散液；
S3.将阳性pH响应单体溶于步骤S2制得的具有阴性pH响应性的植物纤维分散液中，在40～90℃恒温、150～200rpm搅拌速度的条件下反应，采用衰减全反射-紫外/可见光谱技术实时分析接枝过程中反应体系中的阳性pH响应单体浓度，调控阳性pH响应单体的浓度保持在0.14～0.56mol/L，反应时间控制在3～7h，得到pH响应性植物纤维功能材料。
上述制备方法制得的pH响应性植物纤维功能材料的纤维表面接枝的阴性pH响应基团和阳性pH响应基团的质量比为1:2～4，阴性pH响应基团和阳性pH响应基团在纤维表面总的接枝率为50～80％。
上述pH响应性植物纤维功能材料的制备方法，具体包括如下步骤：
S1.将植物纤维充分分散于水中，加入引发剂，在200～300rpm的搅拌速度下，通入10～40min的氮气除氧，得到植物纤维分散液；所述植物纤维、水和引发剂的质量比为1:400～600:1.2～2.4；
S2.将阳性pH响应单体溶于步骤S1制得的植物纤维分散液中，在40～90℃恒温、150～200rpm搅拌速度的条件下反应，采用衰减全反射-紫外/可见光谱技术实时分析接枝过程中反应体系中的阳性pH响应单体浓度，调控阳性pH响应单体的浓度保持在0.14～0.56mol/L，反应时间控制在3～7h，得到具有阳性pH响应性的植物纤维分散液；
S3.将阴性pH响应单体溶于步骤S2制得的具有阳性pH响应性的植物纤维分散液中，在40～90℃恒温、150～200rpm搅拌速度的条件下反应，采用衰减全反射-紫外/可见光谱技术实时分析接枝过程中反应体系中阴性pH响应单体的浓度，调控阴性pH响应单体的浓度保持在0.138～0.552mol/L，反应时间控制在3～7h，得到pH响应性植物纤维功能材料。
上述制备方法制得的pH响应性植物纤维功能材料的纤维表面接枝的阴性pH响应基团和阳性pH响应基团的质量比为2～4:1，阴性pH响应基团和阳性pH响应基团在纤维表面总的接枝率为50～80％。
上述制备方法还包括采用冷热水交替洗涤抽滤的方法将步骤S3制得的pH响应性植物纤维功能材料进行洗涤，然后在45～75℃条件下烘干。
另外，本发明的pH响应性植物纤维功能材料在油水分离方面的应用也在本发明的保护范围内。
所述的pH响应性植物纤维功能材料在油水分离方面的应用，通过调节处理液的pH值，来控制pH响应性植物纤维功能材料的pH响应范围如下：
阴性pH响应基团与阳性pH响应基团的质量比＝1:3～4(不包含1:3)时，处理液pH＝1～3，所述pH响应性植物纤维功能材料具有亲水疏油性；处理液pH＝7～8，所述pH响应性植物纤维功能材料具有亲油疏水性；
阴性pH响应基团与阳性pH响应基团的质量比＝1:2～3(不包含1:2)时，处理液pH＝3～5，所述pH响应性植物纤维功能材料具有亲水疏油性；处理液pH＝8～9，所述pH响应性植物纤维功能材料具有亲油疏水性；
阴性pH响应基团与阳性pH响应基团的质量比＝1:2时，处理液pH＝5～7，所述pH响应性植物纤维功能材料具有亲水疏油性；处理液pH＝9～10，所述pH响应性植物纤维功能材料具有亲油疏水性；
阴性pH响应基团与阳性pH响应基团的质量比＝3～4:1(不包含3:1)时，处理液pH＝1～3，所述pH响应性植物纤维功能材料具有亲油疏水性；处理液pH＝7～8，所述pH响应性植物纤维功能材料具有亲水疏油性；
阴性pH响应基团与阳性pH响应基团的质量比＝2～3:1(不包含2:1)时，处理液pH＝3～5，所述pH响应性植物纤维功能材料具有亲油疏水性；处理液pH＝8～9，所述pH响应性植物纤维功能材料具有亲水疏油性；
阴性pH响应基团与阳性pH响应基团的质量比＝2:1时，处理液pH＝5～7，所述pH响应性植物纤维功能材料具有亲油疏水性；处理液pH＝9～10，所述pH响应性植物纤维功能材料具有亲水疏油性。
本发明具有以下有益效果：
(1)本发明以植物纤维为基体，在其表面同时化学接枝阴性pH响应基团和阳性pH响应基团，通过调控阴性pH响应基团和阳性pH响应基团的质量比来调控功能材料pH响应范围，得到的功能材料在较窄pH范围内具有较高的pH响应性灵敏度；同时通过调控阴性pH响应基团和阳性pH响应基团的质量比，得到的功能材料可通过调节处理液pH值的变化，来实现该功能材料亲水疏油性和亲油疏水性之间的双向智能转换，从而实现对油水混合物的可控分离，从而克服了传统pH响应性材料只能在较大pH范围内的酸性或碱性其中一种条件下达到单一的亲水疏油或亲油疏水。
(2)在制备过程中采用衰减全反射-紫外/可见光谱技术实时分析接枝过程中反应体系的单体浓度，控制反应单体的加入时间和加入量，来调控阴性pH响应单体和阳性pH响应单体浓度分别保持在0.138～0.552mol/L和0.14～0.56mol/L，进而实现植物纤维表面接枝的阴性pH响应基团和阳性pH响应基团的质量比为1:2～4或2～4:1，阴性pH响应基团和阳性pH响应基团在植物纤维表面总的接枝率达到50～80％以上，解决了因自由基引发接枝过程中单体的自聚和均聚严重从而影响pH响应基团在纤维表面的接枝比例和接枝率的问题，尤其是同时在反应体系中加入两种及两种以上单体时，单体自身以及单体与单体之间会发生聚合，导致单体不能可控接枝在纤维的表面上。
(3)以植物纤维为基体制备的pH响应性植物纤维功能材料，生物性好，价格低廉，制得的功能材料不会对环境造成二次污染；该功能材料可直接抄造成纸，直接作为纸基，pH响应基团又是化学键合在纤维表面，材料具有良好的再生稳定性，克服了现有pH响应性材料通过两性单体聚合形成两性聚合物后涂布于纸基表面与纸基物理结合容易脱落、再生性能差的问题。
(4)本发明的pH响应性植物纤维功能材料的油水分离效率达到99％以上，材料亲水疏油性和亲油疏水性之间的双向智能转换效率达到95％以上。
(5)本发明的制备工艺简单，反应条件易控，且生产成本低廉，能耗少，环境友好。
具体实施方式
以下结合实施例来进一步说明本发明，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明的精神和实质情况下，对本发明方法、步骤或条件所做的简单修改或替换，均属于本发明的范围。若无特殊说明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。
除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。除非特别说明，以下实施例所用试剂和材料均为市购。
实施例1：pH响应性植物纤维功能材料的制备
①将1g蔗渣浆纤维充分分散于600g的水中，加入1.2g硫酸亚铁铵，在250rpm的搅拌速度下，通入40min的氮气除氧，使纤维表面产生自由基，得到蔗渣浆纤维分散液；
②将1g丁稀酸溶于步骤①制得的蔗渣浆纤维分散液中，在90℃恒温、190rpm搅拌速度的条件下反应，采用衰减全反射-紫外/可见光谱技术实时分析接枝过程中反应体系中的丁稀酸浓度，调控丁稀酸浓度保持在0.138mol/L，反应时间控制在7h，得到具有阴性pH响应性的蔗渣浆纤维分散液；
③将4g丁烯酰胺溶于步骤②制得的具有阴性pH响应性的蔗渣浆纤维分散液中，在90℃恒温、190rpm搅拌速度的条件下反应，采用衰减全反射-紫外/可见光谱技术实时分析接枝过程中反应体系的丁烯酰胺浓度，调控丁烯酰胺浓度保持在0.56mol/L，反应时间控制在7h，得到pH响应性植物纤维功能材料；
④采用冷热水交替洗涤抽滤的方法将步骤③制得的pH响应性植物纤维功能材料进行洗涤，然后在75℃条件下烘干。
所制得的pH响应性植物纤维功能材料的阴性pH响应基团和阳性pH响应基团在纤维表面总的接枝率为50％，阴性pH响应基团和阳性pH响应基团的质量比为1:4。
实施例2：pH响应性植物纤维功能材料的制备
①将1g竹浆纤维充分分散于600g的水中，加入1.8g过氧化环己酮，在300rpm的搅拌速度下，通入30min的氮气除氧，使纤维表面产生自由基，得到竹浆纤维分散液；
②将1g戊烯酸溶于步骤①制得的竹浆纤维分散液中，在60℃恒温、180rpm搅拌速度的条件下反应，采用衰减全反射-紫外/可见光谱技术实时分析接枝过程中反应体系中的戊烯酸浓度，调控戊烯酸浓度保持在0.138mol/L，反应时间控制在4h，得到具有阴性pH响应性的竹浆纤维分散液；
③将3g戊烯酰胺溶于步骤②制得的具有阴性pH响应性的竹浆纤维分散液中，在60℃恒温、180rpm搅拌速度的条件下反应，采用衰减全反射-紫外/可见光谱技术实时分析接枝过程中反应体系中的戊烯酰胺浓度，调控戊烯酰胺浓度保持在0.42mol/L，反应时间控制在4h，得到pH响应性植物纤维功能材料；
④采用冷热水交替洗涤抽滤的方法将步骤③制得的pH响应性植物纤维功能材料进行洗涤，然后在60℃条件下烘干。
所制得的pH响应性植物纤维功能材料的阴性pH响应基团和阳性pH响应基团在纤维表面总的接枝率为70％，阴性pH响应基团和阳性pH响应基团的质量比为1:3。
实施例3：pH响应性植物纤维功能材料的制备
①将1g竹浆纤维充分分散于600g的水中，加入2.0g过氧化环己酮，在200rpm的搅拌速度下，通入30min的氮气除氧，使纤维表面产生自由基，得到竹浆纤维分散液；
②将1g戊烯酸溶于步骤①制得的竹浆纤维分散液中，在60℃恒温、150rpm搅拌速度的条件下反应，采用衰减全反射-紫外/可见光谱技术实时分析接枝过程中反应体系中的戊烯酸浓度，调控戊烯酸浓度保持在0.138mol/L，反应时间控制在4h，得到具有阴性pH响应性的竹浆纤维分散液；
③将2g戊烯酰胺溶于步骤②制得的具有阴性pH响应性的竹浆纤维分散液中，在60℃恒温、150rpm搅拌速度的条件下反应，采用衰减全反射-紫外/可见光谱技术实时分析接枝过程中反应体系中的戊烯酰胺浓度，调控戊丙稀酸浓度保持在0.28mol/L，反应时间控制在4h，得到pH响应性植物纤维功能材料；
④采用冷热水交替洗涤抽滤的方法将步骤③制得的pH响应性植物纤维功能材料进行洗涤，然后在60℃条件下烘干。
所制得的pH响应性植物纤维功能材料的阴性pH响应基团和阳性pH响应基团在纤维表面总的接枝率为75％，阴性pH响应基团和阳性pH响应基团的质量比为1:2。
实施例4：pH响应性植物纤维功能材料的制备
①将1g桉木浆纤维充分分散于400g的水中，加入2.4g硝酸铈铵，在200rpm的搅拌速度下，通入10min的氮气除氧，使纤维表面产生自由基，得到桉木浆纤维分散液；
②将1g丙烯酰胺溶于步骤①制得的桉木浆纤维分散液中，在40℃恒温、150rpm搅拌速度的条件下反应，采用衰减全反射-紫外/可见光谱技术实时分析接枝过程中反应体系中的丙烯酰胺浓度，调控丙烯酰胺浓度保持在0.14mol/L，反应时间控制在3h，得到具有阳性pH响应性的桉木浆纤维分散液；
③将4g丙烯酸溶于步骤②制得的具有阳性pH响应性的桉木浆纤维分散液中，在40℃恒温、150rpm搅拌速度的条件下反应，采用衰减全反射-紫外/可见光谱技术实时分析接枝过程中反应体系中的丙烯酸浓度，调控丙烯酸浓度保持在0.552mol/L，反应时间控制在3h，得到pH响应性植物纤维功能材料。
④采用冷热水交替洗涤抽滤的方法将步骤③制得的pH响应性植物纤维功能材料进行洗涤，然后在45℃条件下烘干。
所制得的pH响应性植物纤维功能材料的阴性pH响应基团和阳性pH响应基团在纤维表面总的接枝率为80％，阴性pH响应基团和阳性pH响应基团的质量比为4:1。
实施例5：pH响应性植物纤维功能材料的制备
①将1g桉木浆纤维充分分散于400g的水中，加入2.4g硝酸铈铵，在300rpm的搅拌速度下，通入10min的氮气除氧，使纤维表面产生自由基，得到桉木浆纤维分散液；
②将1g丙烯酰胺溶于步骤①制得的桉木浆纤维分散液中，在40℃恒温、200rpm搅拌速度的条件下反应，采用衰减全反射-紫外/可见光谱技术实时分析接枝过程中反应体系中的丙烯酰胺浓度，调控丙烯酰胺浓度保持在0.14mol/L，反应时间控制在3h，得到具有阳性pH响应性的桉木浆纤维分散液；
③将3g的丙烯酸溶于步骤②制得具有阳性pH响应性的桉木浆纤维分散液中，在40℃恒温、200rpm搅拌速度的条件下反应，采用衰减全反射-紫外/可见光谱技术实时分析接枝过程中反应体系中的丙烯酸浓度，调控丙烯酸浓度保持在0.414mol/L，反应时间控制在3h，得到pH响应性植物纤维功能材料；
④采用冷热水交替洗涤抽滤的方法将步骤③制得的pH响应性植物纤维功能材料进行洗涤，然后在45℃条件下烘干。
所制得的pH响应性植物纤维功能材料的阴性pH响应基团和阳性pH响应基团在纤维表面总的接枝率为65％，阴性pH响应基团和阳性pH响应基团的质量比为3:1。
实施例6：pH响应性植物纤维功能材料的制备
①将1g马尾松木浆纤维充分分散于400g的水中，加入1.4g过氧化二苯甲酰，在250rpm的搅拌速度下，通入20min的氮气除氧，使纤维表面产生自由基，得到马尾松木浆纤维分散液；
②将1gN,N-二甲基甲酰胺溶于步骤①制得的马尾松木浆纤维分散液中，在50℃恒温、190rpm搅拌速度的条件下反应，采用衰减全反射-紫外/可见光谱技术实时分析接枝过程中反应体系中的N,N-二甲基甲酰胺浓度，调控N,N-二甲基甲酰胺浓度保持在0.14mol/L，反应时间控制在5h，得到具有阳性pH响应性的马尾松木浆纤维分散液；
③将2g 3-苯基-2-丙烯酸溶于步骤②制得的具有阳性pH响应性的马尾松木浆纤维分散液中，在50℃恒温、190rpm搅拌速度的条件下反应，采用衰减全反射-紫外/可见光谱技术实时分析接枝过程中反应体系中的3-苯基-2-丙烯酸浓度，调控3-苯基-2-丙烯酸浓度保持在0.276mol/L，反应时间控制在5h，得到pH响应性植物纤维功能材料；
④采用冷热水交替洗涤抽滤的方法将步骤③制得的pH响应性植物纤维功能材料进行洗涤，然后在50℃条件下烘干。
所制得的pH响应性植物纤维功能材料的阴性pH响应基团和阳性pH响应基团在纤维表面总的接枝率为60％，阴性pH响应基团和阳性pH响应基团的质量比为2:1。
实施例7：pH响应性植物纤维功能材料的油水分离效率测试
1、实验材料的处理
将实施例1～6得到的pH响应性植物纤维功能材料分别用不同pH值的处理液浸泡30min，取出后，在60℃条件下干燥12h，得到被不同pH处理液处理的pH响应性植物纤维功能材料样品。为方便做油水分离实验，把pH处理液处理后的pH响应性植物纤维功能材料抄造成纸。
| 样品 | 样品的处理 |
| 样品1 | 实施例1所制得的功能材料经pH＝1～3的处理液处理 |
| 样品2 | 实施例1所制得的功能材料经pH＝7～8的处理液处理 |
| 样品3 | 实施例2所制得的功能材料经pH＝3～5的处理液处理 |
| 样品4 | 实施例2所制得的功能材料经pH＝8～9的处理液处理 |
| 样品5 | 实施例3所制得的功能材料经pH＝5～7的处理液处理 |
| 样品6 | 实施例3所制得的功能材料经pH＝9～10的处理液处理 |
| 样品7 | 实施例4所制得的功能材料经pH＝1～3的处理液处理 |
| 样品8 | 实施例4所制得的功能材料经pH＝7～8的处理液处理 |
| 样品9 | 实施例5所制得的功能材料经pH＝3～5的处理液处理 |
| 样品10 | 实施例5所制得的功能材料经pH＝8～9的处理液处理 |
| 样品11 | 实施例6所制得的功能材料经pH＝5～7的处理液处理 |
| 样品12 | 实施例6所制得的功能材料经pH＝9～10的处理液处理 |
2、实验方法
采用普通过滤装置进行油水分离试验，将样品1、样品3、样品5、样品8、样品10、样品12分别固定在两个夹具中间，两端各链接玻璃管，将甲苯与水的混合液(体积比1:1)经上方玻璃管倒入该分离装置中，分离器中的水穿过该功能材料并从下方玻璃管流下，同时甲苯被该功能材料阻隔在上方。按照同样的方法，将样品2、样品4、样品6、样品7、样品9、样品11分别固定在两个夹具中间，两端各连接玻璃管，将二氯甲烷与水的混合溶液(体积比1:1)经上方玻璃管倒入该分离装置中，分离器中的二氯甲烷穿过该功能材料并从下方玻璃管流下，同时水被该功能材料阻隔在上方。按照收集的油相或水相来计算其油水分离效率。油水分离效率的计算公式如下：
Se-油水分离效率/％；
Mc-收集的油相或水相重量/g；
M0-加入的油相或水相重量/g。
实施例8：pH响应性植物纤维功能材料的亲水疏油性和亲油疏水性的转换效率测试：
油水分离实验后，分别把夹在过滤装置夹具中间的样品2、样品4、样品6、样品7、样品9、样品11取出，烘干，分别放入pH＝1～3、pH＝3～5、pH＝5～7、pH＝7～8、pH＝8～9、pH＝9～10的处理液中浸泡30min，取出后，在60℃条件下干燥12h，再次夹到分离装置夹具中进行油水分离测试，将甲苯与水的混合液(体积比1:1)经上方玻璃管倒入该分离装置中，分离器中的水穿过该功能材料并从下方玻璃管流下，同时甲苯被该材料阻隔在上方。按照同样的方法，分别把夹在过滤装置夹具中间的样品1、样品3、样品5、样品8、样品10、样品12取出，烘干，分别放入pH＝7～8、pH＝8～9、pH＝9～10、pH＝1～3、pH＝3～5、pH＝5～7的处理液中浸泡30min，取出后，在60℃条件下干燥12h，再次夹到分离装置夹具中进行油水分离测试，将二氯甲烷与水的混合溶液(体积比1:1)经上方玻璃管倒入该分离装置中，分离器中的二氯甲烷穿过该功能材料并从下方玻璃管流下，同时水被该功能材料阻隔在上方。按照收集的油相或水相来计算其转换效率。转换效率的公式如下：
Ce-转换效率/％；
Mc-收集的油相或水相重量/g；
M0-加入的油相或水相重量/g。
实施例7～8的测试结果如表1所示：
表1
由实施例7～8的测试结果表明，本发明的pH响应性植物纤维功能材料在较窄pH范围内具有较高的pH响应性灵敏度，可通过调节处理液pH值的变化，来实现该材料亲水疏油性和亲油疏水性之间的双向智能转换，从而实现对油水混合物的可控分离，油水分离效率达到99％以上，转换效率达到95％以上。
Claims (10)
1.一种pH响应性植物纤维功能材料，其特征在于，以植物纤维为基体，在其表面通过自由基引发接枝阴性pH响应基团和阳性pH响应基团，所述植物纤维表面接枝的阴性pH响应基团和阳性pH响应基团的质量比为1:2～4或2～4:1，阴性pH响应基团和阳性pH响应基团在植物纤维表面总的接枝率为50～80％。
2.根据权利要求1所述的pH响应性植物纤维功能材料，其特征在于，所述阴性pH响应单体为丙烯酸、丁烯酸、戊烯酸、己烯酸、庚烯酸、辛烯酸、壬烯酸、癸烯酸、3-苯基-2-丙烯酸、顺丁烯二酸、反丁烯二酸或2-甲基-4-己烯酸；所述阳性pH响应单体为丙烯酰胺、丁烯酰胺、戊烯酰胺、己烯酰胺、庚烯酰胺、辛烯酰胺、壬烯酰胺、癸烯酰胺、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺或N,N-二甲基丙酰胺。
3.根据权利要求1所述的pH响应性植物纤维功能材料，其特征在于，所述引发剂为硝酸铈铵、硫酸亚铁铵、过氧化环己酮、过氧化二苯甲酰、叔丁基过氧化氢、偶氮二异丁腈或偶氮二异庚腈。
4.一种pH响应性植物纤维功能材料的制备方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
S1.将植物纤维充分分散于水中，加入引发剂，在200～300rpm的搅拌速度下，通入10～40min的氮气除氧，得到植物纤维分散液；所述植物纤维、水和引发剂的质量比为1:400～600:1.2～2.4；
S2.将阴性pH响应单体溶于步骤S1制得的植物纤维分散液中，在40～90℃恒温、150～200rpm搅拌速度的条件下反应，采用衰减全反射-紫外/可见光谱技术实时分析接枝过程中反应体系中的阴性pH响应单体浓度，调控阴性pH响应单体的浓度保持在0.138～0.552mol/L，反应时间控制在3～7h，得到具有阴性pH响应性的植物纤维分散液；
S3.将阳性pH响应单体溶于步骤S2制得的具有阴性pH响应性的植物纤维分散液中，在40～90℃恒温、150～200rpm搅拌速度的条件下反应，采用衰减全反射-紫外/可见光谱技术实时分析接枝过程中反应体系中的阳性pH响应单体浓度，调控阳性pH响应单体的浓度保持在0.14～0.56mol/L，反应时间控制在3～7h，得到pH响应性植物纤维功能材料。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述pH响应性植物纤维功能材料的纤维表面接枝的阴性pH响应基团和阳性pH响应基团的质量比为1:2～4，阴性pH响应基团和阳性pH响应基团在纤维表面总的接枝率为50～80％。
6.一种pH响应性植物纤维功能材料的制备方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
S1.将植物纤维充分分散于水中，加入引发剂，在200～300rpm的搅拌速度下，通入10～40min的氮气除氧，得到植物纤维分散液；所述植物纤维、水和引发剂的质量比为1:400～600:1.2～2.4；
S2.将阳性pH响应单体溶于步骤S1制得的植物纤维分散液中，在40～90℃恒温、150～200rpm搅拌速度的条件下反应，采用衰减全反射-紫外/可见光谱技术实时分析接枝过程中反应体系中的阳性pH响应单体浓度，调控阳性pH响应单体的浓度保持在0.14～0.56mol/L，反应时间控制在3～7h，得到具有阳性pH响应性的植物纤维分散液；
S3.将阴性pH响应单体溶于步骤S2制得的具有阳性pH响应性的植物纤维分散液中，在40～90℃恒温、150～200rpm搅拌速度的条件下反应，采用衰减全反射-紫外/可见光谱技术实时分析接枝过程中反应体系中阴性pH响应单体的浓度，调控阴性pH响应单体的浓度保持在0.138～0.552mol/L，反应时间控制在3～7h，得到pH响应性植物纤维功能材料。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述pH响应性植物纤维功能材料的纤维表面接枝的阴性pH响应基团和阳性pH响应基团的质量比为2～4:1，阴性pH响应基团和阳性pH响应基团在纤维表面总的接枝率为50～80％。
8.根据权利要求4或6所述的制备方法，其特征在于，还包括采用冷热水交替洗涤抽滤的方法将步骤S3制得的pH响应性植物纤维功能材料进行洗涤，然后在45～75℃条件下烘干。
9.权利要求1所述的pH响应性植物纤维功能材料在油水分离方面的应用。
10.根据权利要求9所述的pH响应性植物纤维功能材料在油水分离方面的应用，其特征在于，通过调节处理液的pH值，来控制pH响应性植物纤维功能材料的pH响应范围如下：
阴性pH响应基团与阳性pH响应基团的质量比＝1:3～4(不包含1:3)时，处理液pH＝1～3，所述pH响应性植物纤维功能材料具有亲水疏油性；处理液pH＝7～8，所述pH响应性植物纤维功能材料具有亲油疏水性；
阴性pH响应基团与阳性pH响应基团的质量比＝1:2～3(不包含1:2)时，处理液pH＝3～5，所述pH响应性植物纤维功能材料具有亲水疏油性；处理液pH＝8～9，所述pH响应性植物纤维功能材料具有亲油疏水性；
阴性pH响应基团与阳性pH响应基团的质量比＝1:2时，处理液pH＝5～7，所述pH响应性植物纤维功能材料具有亲水疏油性；处理液pH＝9～10，所述pH响应性植物纤维功能材料具有亲油疏水性；
阴性pH响应基团与阳性pH响应基团的质量比＝3～4:1(不包含3:1)时，处理液pH＝1～3，所述pH响应性植物纤维功能材料具有亲油疏水性；处理液pH＝7～8，所述pH响应性植物纤维功能材料具有亲水疏油性；
阴性pH响应基团与阳性pH响应基团的质量比＝2～3:1(不包含2:1)时，处理液pH＝3～5，所述pH响应性植物纤维功能材料具有亲油疏水性；处理液pH＝8～9，所述pH响应性植物纤维功能材料具有亲水疏油性；
阴性pH响应基团与阳性pH响应基团的质量比＝2:1时，处理液pH＝5～7，所述pH响应性植物纤维功能材料具有亲油疏水性；处理液pH＝9～10，所述pH响应性植物纤维功能材料具有亲水疏油性。
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| CN105131185A (zh) * | 2015-09-17 | 2015-12-09 | 华南理工大学 | 菠萝渣半纤维素基pH敏感型多孔水凝胶及其制法与应用 |
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2018
- 2018-04-17 CN CN201810341463.2A patent/CN108530585B/zh active Active
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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