CN113668237B - 一种制备硅烷偶联剂-二氧化硅-植物纤维复合物的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种制备硅烷偶联剂‑二氧化硅‑植物纤维复合物的方法：S1、植物纤维预处理；S2、制备硅烷偶联剂水解液；S3、制备硅烷偶联剂‑植物纤维复合物；S4、制备二氧化硅纳米粒子分散液；S5、制备硅烷偶联剂‑二氧化硅纳米粒子‑植物纤维复合物。本发明利用硅烷偶联剂水解形成的硅醇基团(Si‑OH)、二氧化硅的Si‑OH、植物纤维表面的羟基(‑OH)三者之间的共价作用，使二氧化硅纳米粒子接枝在植物纤维表面；利用硅烷偶联剂形成的疏水膜阻碍有害离子入侵，提高纤维体积稳定性，利用二氧化硅的火山灰活性降低纤维周围碱性和氢氧化钙含量，改善纤维与水泥基体界面微结构，协同提高植物纤维在水泥基体中的耐蚀性和粘结性能。

Description

一种制备硅烷偶联剂-二氧化硅-植物纤维复合物的方法
技术领域
本发明涉及建筑材料技术领域，具体涉及一种制备硅烷偶联剂-二氧化硅-植物纤维复合物的方法。
背景技术
水泥基材料是目前世界上使用最广泛的建筑材料，但是它是脆性材料、容易开裂。研究表明纤维对水泥基材料的开裂有很好的抑制作用。钢纤维和人工合成纤维在一定程度上能提高混凝土的韧性，但是同时也提高了混凝土的成本。为有效降低纤维混凝土的成本，研究者开始利用在自然界分布广泛、价格低廉、取材方便的植物纤维来代替传统的人工合成纤维。植物纤维应用于水泥基复合材料，不仅能够改善韧性，还能够促进可持续发展，具有生态效应，符合发展循环经济的重大战略。
纤维与水泥基体之间界面较强的粘结性是纤维改性水泥基复合材料获得高韧性的必要条件。然而，植物纤维与水泥基体界面粘结性较差，需要对它进行表面改性提高植物纤维与水泥基体之间的界面粘结性。植物纤维在水泥基复合材料中的耐蚀性问题同样限制了其在建筑材料领域的应用。水泥水化产生的氢氧化钙溶于水中，使水泥浆体孔溶液呈碱性。碱性环境会使植物纤维中的半纤维素和木质素溶解，破坏纤维的结构使纤维的强度和韧性下降。此外，钙离子进入植物纤维内部孔隙结晶，使纤维“矿化”，逐渐失去柔性而僵硬化，易发生脆性断裂。因此，提高植物纤维在水泥基体中的耐蚀性、改善植物纤维与水泥基体之间的界面粘结性能，是将植物纤维代替人工合成纤维增韧水泥基复合材料的前提条件。
发明内容
针对植物纤维在水泥基体中耐腐蚀性能和界面粘结性能不佳的问题，本发明提供了一种制备硅烷偶联剂-二氧化硅-植物纤维复合物的方法，该方法利用硅烷偶联剂水解后形成的硅醇基团(Si-OH)、二氧化硅的Si-OH、植物纤维表面的羟基(-OH)三者之间的共价作用，使二氧化硅纳米粒子牢固接枝在植物纤维表面；利用硅烷偶联剂形成的疏水膜阻碍有害离子入侵，提高植物纤维的体积稳定性，利用二氧化硅纳米粒子的火山灰活性降低纤维周围碱性和氢氧化钙含量，改善纤维与水泥基体界面微结构，协同提高植物纤维在水泥基体中的耐蚀性和纤维-基体界面粘结性能；本发明的方法简单易操作，有望大规模应用于绿色建筑行业，降低建筑碳排放。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种制备硅烷偶联剂-二氧化硅-植物纤维复合物的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
S1、对植物纤维进行预处理；
S2、制备硅烷偶联剂水解液；
S3、制备硅烷偶联剂-植物纤维复合物：将预处理后的植物纤维浸入所述硅烷偶联剂水解液中充分浸渍，取出后晾干；通风晾干保持硅烷偶联剂的活性；
S4、制备二氧化硅纳米粒子分散液；
S5、制备硅烷偶联剂-二氧化硅纳米粒子-植物纤维复合物：将所述二氧化硅纳米粒子分散液喷涂于所述硅烷偶联剂-植物纤维复合物上，然后烘干，即得。
本发明的方法利用了硅烷偶联剂水解后形成的硅醇基团(Si-OH)、二氧化硅的Si-OH、植物纤维表面的羟基(-OH)三者之间的共价作用，使二氧化硅纳米粒子牢固接枝在植物纤维表面；利用硅烷偶联剂形成的疏水膜阻碍有害离子入侵，提高植物纤维的体积稳定性，利用二氧化硅纳米粒子的火山灰活性降低纤维周围碱性和氢氧化钙含量，改善纤维与水泥基体界面微结构，协同提高植物纤维在水泥基体中的耐蚀性和纤维-基体界面粘结性能。
具体的，所述的植物纤维可选自剑麻纤维、椰壳纤维等植物纤维。
进一步的，步骤S1、对植物纤维进行预处理，包括如下步骤：
S1-1、将所述植物纤维根据增韧水泥基复合材料的要求进行裁剪；
S1-2、裁剪后将所述植物纤维表面清洗干净；用清水将植物纤维表面对杂物清洗干净；
S1-3、清洗后将所述植物纤维置于碱性溶液中浸泡；浸泡后清洗至中性，然后烘干。
进一步的，步骤S1-3、所述的碱性溶液选自pH为13-14的NaOH或KOH溶液；所述的浸泡时间为0.5-1小时；所述烘干温度为60-80℃。
进一步的，步骤S2、制备硅烷偶联剂水解液，包括如下步骤：
S2-1、将所述硅烷偶联剂溶于无水乙醇和去离子水的混合体系中，并搅拌均匀，得到混合液；
S2-2、向所述混合液中加入冰醋酸调节pH至酸性，搅拌，得到所述硅烷偶联剂水解液。
进一步的，步骤S2-1中所述硅烷偶联剂选自KH550、KH560、KH570、KH792中任一种；所述无水乙醇与所述去离子水对体积比为(4-10)：1；所述混合液中硅烷偶联剂的浓度为0.1-1.0mol/L。
进一步的，步骤S2-2、向所述混合液中加入10-30wt％的冰醋酸调节pH为4-5，电磁搅拌0.5-2小时，即得到硅烷偶联剂水解液。
进一步的，步骤S3、制备硅烷偶联剂-植物纤维复合物：将预处理后的植物纤维浸入所述硅烷偶联剂水解液中并超声处理0.5-1小时，使其充分浸渍，然后取出晾干；所述植物纤维浸入所述硅烷偶联剂水解液的浴比为(30-50)：1。具体的，可将植物纤维置于通风位置，在有光照环境下自然晾干；晾干标准为：表面用吸水纸覆盖时，吸水纸无明显浸湿。
进一步的，步骤S4、制备二氧化硅纳米粒子分散液：将二氧化硅纳米粒子超声分散于去离子水中，得到二氧化硅纳米粒子分散液。
进一步的，所述二氧化硅纳米粒子的浓度为2-20mg/mL；所述二氧化硅纳米粒子的粒径为5-100nm。
进一步的，步骤S5、制备硅烷偶联剂-二氧化硅纳米粒子-植物纤维复合物：将步骤S3中晾干后的硅烷偶联剂-植物纤维复合物摊开至纱布上，将二氧化硅纳米分散液装于喷壶中，采用喷雾模式对准纱布上的硅烷偶联剂-植物纤维复合物均匀喷涂一遍，再从纱布背面均匀喷涂一遍；重复该喷涂过程2-5次，使植物纤维与纳米二氧化硅纳米粒子的质量比为1g：(30-100)mg；所述的烘干温度为115-125℃，烘干12-15小时。
具体的，上述步骤S5、制备硅烷偶联剂-二氧化硅纳米粒子-植物纤维复合物：将步骤S3中通风晾干后的硅烷偶联剂-植物纤维复合物摊开至纱布上，将装有二氧化硅纳米分散液的喷壶采用喷雾模式对准纱布上的硅烷偶联剂-植物纤维复合物均匀喷涂一遍，再从纱布背面均匀喷涂一遍；为提高植物纤维表面包覆二氧化硅纳米粒子的量，室温晾置30-60分钟后，抖动纱布使纤维变换角度，再进行下一次喷涂，重复该喷涂过程2-5次，使植物纤维与纳米二氧化硅纳米粒子的质量比为1g：(30-100)mg，其中植物纤维为预处理烘干后的质量；将植物纤维置于鼓风干燥箱中烘干，烘干温度为115-125℃，烘干12-15小时，保证植物纤维、硅烷偶联剂、二氧化硅纳米粒子三者之间形成稳定的共价键。
本发明的有益效果：
(1)本发明采用两步法改性植物纤维，首先将硅烷偶联剂包覆在植物纤维表面，再在其表面包覆二氧化硅纳米粒子。如若先将硅烷偶联剂水解液与二氧化硅纳米粒子复合，再将植物纤维浸入该复合分散液，则硅烷偶联剂水解形成的硅醇基团(Si-OH)与二氧化硅纳米粒子的Si-OH在与植物纤维表面的羟基(-OH)反应时形成竞争关系，影响硅烷偶联剂在植物纤维表面成膜，疏水效果大打折扣。
(2)本发明采用自然晾干的方法干燥硅烷偶联剂-植物纤维复合物，能有效避免硅烷偶联剂的Si-OH基团在高温环境下发生缩合反应，既能保留硅烷偶联剂的活性，又能去除多余水分。
(3)本发明的方法中采用了喷涂法，将二氧化硅纳米粒子分散液喷涂至硅烷偶联剂-植物纤维复合物表面，而不是将硅烷偶联剂－植物纤维复合物浸入二氧化硅纳米粒子分散液中，可避免植物纤维表面包覆的硅烷偶联剂二次水解而脱落。
(4)本发明采用较高温度(115-125℃)干燥硅烷偶联剂-二氧化硅纳米粒子-植物纤维复合物，使硅烷偶联剂水解形成的Si-OH、二氧化硅纳米粒子表面的Si-OH、植物纤维表面的-OH三者之间发生缩合反应，形成牢固的共价键，可使硅烷偶联剂和二氧化硅纳米粒子稳定包覆在植物纤维表面。
(5)植物纤维表面包覆的二氧化硅纳米粒子具有较高的活性，能与水化产物氢氧化钙发生火山灰反应，不仅能够降低纤维周围碱性和氢氧化钙含量，降低对植物纤维的侵蚀，生成的水化硅酸钙还能提高植物纤维与水基体界面的粘结性，可应用于增韧水泥基复合材料。
(6)硅烷偶联剂在植物纤维表面成疏水膜能降低植物纤维亲水性，一方面能降低水泥浆体孔溶液的吸入，提高植物纤维的耐蚀性，另一方提高植物纤维的体积稳定性，优化植物纤维与水泥基体界面过渡区微结构，提升纤维-基体界面粘结性能。
(7)本发明制备的硅烷偶联剂-二氧化硅纳米粒子-植物纤维复合物中，植物纤维表面包覆的烷偶联剂和二氧化硅纳米粒子的协同效应能提高植物纤维在水泥基体中的耐蚀性，同时改善植物纤维与水泥基体界面的粘结特性，使植物纤维在在增韧阻裂水泥基材料方面有很大的应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例1中预处理后剑麻纤维的扫描电镜图(SEM)；
图2为本发明实施例1中硅烷偶联剂－二氧化硅纳米粒子－剑麻纤维复合物的SEM图；
图3为硅烷偶联剂－二氧化硅纳米粒子－剑麻纤维复合物经过高速剪切处理后的SEM图；
图4为硅烷偶联剂－二氧化硅纳米粒子－剑麻纤维复合物经过超声振荡处理后的SEM图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种制备硅烷偶联剂-二氧化硅-植物纤维复合物的方法，包括如下步骤：其中所述的植物纤维选用剑麻纤维；
S1、对剑麻纤维进行预处理；其中预处理过程包括如下具体步骤：
S1-1、将所述剑麻纤维根据增韧水泥基复合材料的要求裁剪成长
度为100mm的短纤维；
S1-2、裁剪后用清水将剑麻纤维表面的泥砂和碎屑清洗干净，在鼓风干燥机中60℃烘干；
S1-3、清洗后将所述剑麻纤维置于0.15mol/L的NaOH溶液中浸泡30分钟；浸泡后用清水反复冲洗至中性，然后在鼓风干燥机中60℃烘干；即完成剑麻纤维的预处理；
S2、制备硅烷偶联剂水解液；其中硅烷偶联剂水解液的制备包括如下步骤：
S2-1、将硅烷偶联剂KH550溶于无水乙醇和去离子水的混合体系中，并搅拌均匀，得到混合液；其中：无水乙醇和去离子水的体积比为4：1，混合液中KH550的浓度为0.2mol/L；
S2-2、向上述混合液中加入30wt％的冰醋酸调节pH为4.66，电磁搅拌1小时，得到硅烷偶联剂(KH550)水解液；
S3、制备硅烷偶联剂-剑麻纤维复合物：取6.0g上述预处理后的剑麻纤维浸入200mL的硅烷偶联剂(KH550)水解液中并超声处理0.5小时，使其充分浸渍，然后将捞出的剑麻纤维置于纱布上沥去多余水分，置于通风处自然晾干24小时，得到硅烷偶联剂-剑麻纤维复合物；
S4、制备二氧化硅纳米粒子分散液：将0.3g二氧化硅纳米粒子加入20mL去离子水中，先电磁搅拌0.5小时，再超声振荡30分钟，功率为600W，即得到二氧化硅纳米粒子分散液，然后将其装入100mL带刻度的喷壶中进行下一步的喷涂；二氧化硅纳米粒子的直径为50nm；
S5、制备硅烷偶联剂-二氧化硅纳米粒子-剑麻纤维复合物：将步骤S3中晾干后得到的硅烷偶联剂-剑麻纤维复合物摊开至纱布上，将装有二氧化硅纳米分散液的喷壶采用喷雾模式对准纱布上的硅烷偶联剂-剑麻纤维复合物均匀喷涂一遍，再从纱布背面均匀喷涂一遍；为提高剑麻纤维表面包覆二氧化硅纳米粒子的量，室温晾置30分钟后，抖动纱布使纤维变换角度，再进行下一次喷涂；每次正反面合计喷液量为5mL，重复4次，将20mL二氧化硅纳米粒子分散液全部喷涂至剑麻纤维表面，剑麻纤维与二氧化硅纳米粒子的质量比为1g/50mg；喷涂完成后在鼓风干燥箱中120℃烘干15小时，得到硅烷偶联剂-二氧化硅纳米粒子-剑麻纤维复合物。
测试：
取在上述实施例1中预处理后的剑麻纤维用扫描电镜SEM测试，结果如图1所示；取上述实施例1制得的硅烷偶联剂-二氧化硅纳米粒子-剑麻纤维复合物用扫描电镜SEM测试，如图2所示。
取上述实施例1制得的硅烷偶联剂-二氧化硅纳米粒子-剑麻纤维复合物进行高速剪切试验；高速剪切试验是模拟纤维在搅拌锅中的受力情况；具体方法是：烧杯中加三分之二体积的水，加入制得的硅烷偶联剂-二氧化硅纳米粒子-剑麻纤维复合物，加磁子，高速剪切10分钟，然后取出烘干，在电子扫描显微镜下观察纤维表面SiO2粒子的脱落情况，结果如图3所示，从图3中可以看出SiO2粒子稳定包覆在植物纤维的表面。
取上述实施例1制得的硅烷偶联剂-二氧化硅纳米粒子-剑麻纤维复合物进行超声振荡试验，超声振荡处理是纳米材料常用的分散手段，纳米团聚体在超声波的振荡作用下分散；本实验采用超声方法，验证改性后的纤维表面二氧化硅纳米粒子在超声波振荡作用下是否稳定；具体方法是：烧杯中加入三分之二体积的水，加入改性后的纤维，在超声振荡器中600W振荡10分钟，取出烘干，在扫描电子显微镜下观察纤维表面二氧化硅粒子的脱落情况，其结果如图4所示，同样的从图4中可以看出二氧化硅粒子稳定包覆在植物纤维的表面。
本发明方法重点在于“稳定包覆”，上述的剪切和超声振荡试验是对复合后的纤维进行的破坏性实验，因为在混凝土生产实践中，搅拌、摩擦都会对纤维表面的包覆层起到磨损破坏的作用。
实施例2
一种制备硅烷偶联剂-二氧化硅-植物纤维复合物的方法，包括如下步骤：其中所述的植物纤维选用椰壳纤维；
S1、对椰壳纤维进行预处理；其中预处理过程包括如下具体步骤：
S1-1、将所述椰壳纤维根据增韧水泥基复合材料的要求裁剪成长度为50mm的短纤维；
S1-2、裁剪后用清水将椰壳纤维表面的泥砂和碎屑清洗干净，在鼓风干燥机中60℃烘干；
S1-3、清洗后将所述剑麻纤维置于0.2mol/L的NaOH溶液中浸泡30分钟；浸泡后用清水反复冲洗至中性，然后在鼓风干燥机中60℃烘干，即完成椰壳纤维的预处理；
S2、制备硅烷偶联剂水解液；其中硅烷偶联剂水解液的制备包括如下步骤：
S2-1、将硅烷偶联剂KH792溶于无水乙醇和去离子水的混合体系中，并搅拌均匀，得到混合液；其中：无水乙醇和去离子水的体积比为9：1，混合液中KH792的浓度为0.1mol/L；
S2-2、向上述混合液中加入10wt％的冰醋酸调节pH为4.98，电磁搅拌0.5小时，得到硅烷偶联剂(KH792)水解液；
S3、制备硅烷偶联剂-椰壳纤维复合物：取4.0g上述预处理后的椰壳纤维浸入150mL的硅烷偶联剂(KH792)水解液中并超声处理0.5小时，使其充分浸渍，然后将捞出的椰壳纤维置于纱布上沥去多余水分，置于通风处自然晾干24小时，得到硅烷偶联剂-椰壳纤维复合物；
S4、制备二氧化硅纳米粒子分散液：将0.3g二氧化硅纳米粒子加入30mL去离子水中，先电磁搅拌0.5小时，再超声振荡30分钟，功率为600W，即得到二氧化硅纳米粒子分散液，然后将其装入100mL带刻度的喷壶中进行下一步的喷涂；二氧化硅纳米粒子的直径为10nm；
S5、制备硅烷偶联剂-二氧化硅纳米粒子-椰壳纤维复合物：将步骤S3中晾干后得到的硅烷偶联剂-椰壳纤维复合物摊开至纱布上，将装有二氧化硅纳米分散液的喷壶采用喷雾模式对准纱布上的硅烷偶联剂-椰壳纤维复合物均匀喷涂一遍，再从纱布背面均匀喷涂一遍；为提高椰壳纤维表面包覆二氧化硅纳米粒子的量，室温晾置60分钟后，抖动纱布使纤维变换角度，再进行下一次喷涂；每次正反面合计喷液量为10mL，重复3次，将30mL二氧化硅纳米粒子分散液全部喷涂至椰壳纤维表面，椰壳纤维与二氧化硅纳米粒子的质量比为1g/75mg；喷涂完成后在鼓风干燥箱中120℃烘干12小时，得到硅烷偶联剂-二氧化硅纳米粒子-椰壳纤维复合物。
本发明的方法利用了硅烷偶联剂水解后形成的硅醇基团(Si-OH)、二氧化硅的Si-OH、植物纤维表面的羟基(-OH)三者之间的共价作用，使二氧化硅纳米粒子牢固接枝在植物纤维表面；利用硅烷偶联剂形成的疏水膜阻碍有害离子入侵，提高植物纤维的体积稳定性，利用二氧化硅纳米粒子的火山灰活性降低纤维周围碱性和氢氧化钙含量，改善纤维与水泥基体界面微结构，协同提高植物纤维在水泥基体中的耐蚀性和纤维-基体界面粘结性能。本发明制备的复合物中植物纤维表面包覆的烷偶联剂和二氧化硅纳米粒子的协同效应能提高植物纤维在水泥基体中的耐蚀性，同时改善植物纤维与水泥基体界面的粘结特性，使植物纤维在增韧阻裂水泥基材料方面有很大的应用前景。
上述为本发明的较佳实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。凡由本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (5)

1.一种制备硅烷偶联剂-二氧化硅-植物纤维复合物的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
S1、对植物纤维进行预处理；
S2、制备硅烷偶联剂水解液；
S3、制备硅烷偶联剂-植物纤维复合物：将预处理后的植物纤维浸入所述硅烷偶联剂水解液中充分浸渍，取出后晾干；
S4、制备二氧化硅纳米粒子分散液；
S5、制备硅烷偶联剂-二氧化硅纳米粒子-植物纤维复合物：将所述二氧化硅纳米粒子分散液喷涂于所述硅烷偶联剂-植物纤维复合物上，然后烘干，即得；其中：所述的烘干温度为115-125℃，烘干时间为12-15小时；
制备硅烷偶联剂水解液，包括如下步骤：
S2-1、将所述硅烷偶联剂溶于无水乙醇和去离子水的混合体系中，并搅拌均匀，得到混合液；
S2-2、向所述混合液中加入冰醋酸调节pH至酸性，搅拌，得到所述硅烷偶联剂水解液；
步骤S2-1中所述硅烷偶联剂选自KH550、KH560、KH570、KH792中任一种；所述无水乙醇与所述去离子水对体积比为（4-10）：1；所述混合液中硅烷偶联剂的浓度为0.1-1.0mol/L；
步骤S2-2、向所述混合液中加入10-30wt%的冰醋酸调节pH为4-5，电磁搅拌0.5-2小时，即得到所述硅烷偶联剂水解液；
步骤S4、制备二氧化硅纳米粒子分散液：将所述二氧化硅纳米粒子超声分散于去离子水中，得到二氧化硅纳米粒子分散液；
所述二氧化硅纳米粒子的浓度为2-20mg/mL；所述二氧化硅纳米粒子的粒径为5-100nm。
2.根据权利要求1所述的一种制备硅烷偶联剂-二氧化硅-植物纤维复合物的方法，其特征在于，步骤S1、对植物纤维进行预处理，包括如下步骤：
S1-1、将植物纤维根据增韧水泥基复合材料的要求进行裁剪；
S1-2、裁剪后将所述植物纤维表面清洗干净；
S1-3、清洗后将所述植物纤维置于碱性溶液中浸泡；浸泡后清洗至中性，然后烘干。
3.根据权利要求2所述的一种制备硅烷偶联剂-二氧化硅-植物纤维复合物的方法，其特征在于，步骤S1-3、所述的碱性溶液选自pH为13-14的NaOH或KOH溶液；所述的浸泡时间为0.5-1小时；所述的烘干温度为60-80℃。
4.根据权利要求1所述的一种制备硅烷偶联剂-二氧化硅-植物纤维复合物的方法，其特征在于，步骤S3、制备硅烷偶联剂-植物纤维复合物：将预处理后的植物纤维浸入所述硅烷偶联剂水解液中并超声处理0.5-1小时，使其充分浸渍，然后取出晾干；所述植物纤维浸入所述硅烷偶联剂水解液的浴比为（30-50）：1。
5.根据权利要求1所述的一种制备硅烷偶联剂-二氧化硅-植物纤维复合物的方法，其特征在于，步骤S5、制备硅烷偶联剂-二氧化硅纳米粒子-植物纤维复合物：将步骤S3中晾干后的硅烷偶联剂-植物纤维复合物摊开至纱布上，将二氧化硅纳米分散液装于喷壶中，采用喷雾模式对准纱布上的硅烷偶联剂-植物纤维复合物均匀喷涂一遍，再从纱布背面均匀喷涂一遍；重复该喷涂过程2-5次，使植物纤维与纳米二氧化硅纳米粒子的质量比为：1g：（30-100）mg。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114276583A (zh) * 2021-11-24 2022-04-05 深圳国至新材料科技有限公司 一种高淀粉含量的可降解发泡拖鞋材料及其制备方法
CN114804778A (zh) * 2022-05-23 2022-07-29 中交二公局萌兴工程有限公司 一种桥梁施工用超缓凝混凝土及其制备方法
CN115478449B (zh) * 2022-10-10 2023-05-16 宏观世纪（天津）科技股份有限公司 一种自清洁纸基超疏水涂料的制备方法、涂料及应用
CN116283129A (zh) * 2023-02-10 2023-06-23 桐庐奔腾建材制品有限公司 一种复合纤维改性混凝土及其制备方法
CN117511135A (zh) * 2023-11-29 2024-02-06 佛山市杰品智能科技集团有限公司 一种植物纤维基复合材料及其制备方法和应用
CN117535970B (zh) * 2024-01-08 2024-04-02 淄博鑫柏源纺织有限公司 一种抑菌耐磨的纺织材料及其制备方法

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2987605B2 (ja) * 1992-09-30 1999-12-06 中村技研株式会社 セラミック微粒子を化学結合により含有させた繊維とその製法
JP2008208194A (ja) * 2007-02-26 2008-09-11 Matsushita Electric Works Ltd 樹脂複合材料およびこれを用いた成形品
FR2958946B1 (fr) * 2010-04-14 2014-07-04 Ass Codem Picardie Produit et procede pour la modification de la surface des fibres vegetales, destinee a ameliorer leurs proprietes d'utilisation
CN105671937A (zh) * 2016-01-23 2016-06-15 武汉理工大学 一种用作环保型复合材料增强体的苎麻纤维的改性方法
CN106977126B (zh) * 2017-04-10 2020-05-05 哈尔滨工业大学 一种具有与水泥基材料高界面粘结强度的改性纤维的制备方法
CN108060575A (zh) * 2018-02-02 2018-05-22 山西农业大学 一种天然植物纤维表面功能化改性方法
CN109650845B (zh) * 2019-02-28 2021-03-12 常州工学院 一种制备二氧化硅纳米粒子-氧化石墨烯-植物纤维复合物的方法
CN111485418B (zh) * 2020-03-18 2022-09-23 哈尔滨工业大学 一种表面接枝氧化石墨烯-二氧化硅的植物纤维布的制备方法

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