CN113832711A - 一种纳米二氧化硅/氟硅烷接枝改性木质纤维及其制备方法 - Google Patents

一种纳米二氧化硅/氟硅烷接枝改性木质纤维及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种纳米二氧化硅/氟硅烷接枝改性木质纤维及其制备方法。采用二氧化硅前驱体接枝木质纤维，再与氟硅烷反应制备得到纳米二氧化硅/氟硅烷接枝改性木质纤维。本发明制备方法简便、高效，制备的纳米二氧化硅/氟硅烷接枝改性木质纤维具有良好的微纳米结构，木质纤维表面纳米二氧化硅粒径为30nm～500nm，并具有良好的疏水效果，水接触角130°～160°，应用于复合材料可明显改善纤维与树脂基体的界面相容性。

Description

一种纳米二氧化硅/氟硅烷接枝改性木质纤维及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种改性木质纤维及其制备方法，尤其涉及一种纳米二氧化硅/氟硅烷接枝改性木质纤维及其制备方法。
技术背景
木质纤维资源丰富，具有可再生、生物可降解等优势，由木质纤维制备的复合材料密度低，环境友好，是符合可持续发展战略的绿色环保材料。然而，木质纤维表面存在大量的极性基团，亲水性强，应用于复合材料时与基体树脂界面相容性差，从而影响到木质纤维复合材料的综合性能，极大地制约了木质纤维在材料领域的拓展应用。
将无机纳米粒子均匀接枝于木质纤维表面，构建微纳米多级结构的低表面能材料，可以有效地赋予纤维表面粗糙度及提高疏水性能，实现纤维与基体之间的机械锁合，增强纤维与树脂间界面相互作用。目前，二氧化硅粒子具有良好的生物相容性、紫外光稳定性和热稳定性，适于应用到纤维复合材料。但纳米二氧化硅粒子接枝工艺繁琐，且纳米粒子因粒径小、比表面积大、易在纤维表面团聚，从而影响纳米效应的发挥，限制对材料的增强效果。因此，提高纳米二氧化硅在木质纤维表面的均匀分散性及其与基体的界面相容性，是纳米二氧化硅应用于木质纤维复合材料并赋予高性能的关键。
本发明通过溶胶-凝胶法及氟硅烷改性，制备纳米二氧化硅/氟硅烷接枝改性木质纤维，获得具有微纳米结构的疏水木质纤维，可显著改善木质纤维与基体树脂的相容性，具有良好应用前景。
发明内容
本发明目的在于提供一种纳米二氧化硅/氟硅烷接枝改性木质纤维及其制备方法。利用二氧化硅前驱体接枝木质纤维，再以氟硅烷疏水改性，制备得到纳米二氧化硅/氟硅烷接枝改性木质纤维。
本发明采用以下技术方案：
一种纳米二氧化硅/氟硅烷接枝改性木质纤维，利用氟硅烷改性表面接枝纳米二氧化硅的木质纤维，该改性木质纤维水接触角为130°～160°，改性纤维表面的纳米二氧化硅粒径为30nm～500nm。
所述的纳米二氧化硅/氟硅烷接枝改性木质纤维制备方法，该方法通过以下步骤实现：
第一步，将木质纤维、无水乙醇、去离子水、氨水按配比混合搅拌均匀；然后，向混合体系中缓慢滴加二氧化硅前驱体，于40℃～70℃反应2h～5h小时，得到含纳米二氧化硅接枝木质纤维的混合液。
第二步，在40℃～70℃下，向上述混合液中缓慢滴加氟硅烷疏水改性剂，搅拌反应0.5h～2h；然后，经离心分离，并依次以去离子水和无水乙醇反复洗涤至滤液呈中性，固体产物干燥，得到纳米二氧化硅/氟硅烷接枝改性木质纤维。
第一步中，所述的木质纤维为木材纤维、竹纤维、麻纤维中的任意一种或几种；所述的二氧化硅前驱体为正硅酸甲酯和/或正硅酸乙酯；所述的无水乙醇、氨水、二氧化硅前驱体、去离子水与氟硅烷疏水改性剂的体积混合比例为100:3-8:5-15:2-5：0.5-1.2。
第二步中，所述的氟硅烷疏水改性剂为十七氟癸基三乙氧基硅烷、十七氟癸基三甲氧基硅烷、十三氟辛基三甲氧基硅烷、十三氟辛基三乙氧基硅烷中的任意一种或几种；所述的固体产物干燥条件为温度60℃～105℃、时间5h～10h。
有益效果：
本发明制备的纳米二氧化硅/氟硅烷接枝改性木质纤维具有微纳米结构特征及疏水特性，能够有效提高木质纤维与基体树脂的相容性，同时避免了纳米二氧化硅直接添加到复合材料中易团聚、难以均匀分散的问题。
附图说明
图1为实施例1中木质纤维的扫描电镜图。
图2为实施例1中木质纤维的疏水性效果测试图。
具体实施方式
一种纳米二氧化硅/氟硅烷接枝改性木质纤维，该改性木质纤维水接触角为130°～160°，纤维表面纳米二氧化硅粒径为30nm～500nm。
将木质纤维、无水乙醇、去离子水、氨水按配比混合均匀，常温搅拌10min～30min；然后，向混合体系中缓慢滴加二氧化硅前驱体，于40℃～70℃反应2h～5h小时，得到含纳米二氧化硅接枝改性木质纤维的混合液；在40℃～70℃下，向上述混合液中缓慢滴加氟硅烷疏水改性剂，继续搅拌反应0.5h～2h；反应完毕后，经离心分离，并依次以去离子水和无水乙醇反复洗涤至滤液呈中性，固体产物于60℃～105℃干燥5h～10h，得到纳米二氧化硅/氟硅烷接枝改性木质纤维。
所述的木质纤维为木材纤维、竹纤维、麻纤维中的任意一种或几种。
所述的二氧化硅前驱体为正硅酸甲酯和/或正硅酸乙酯。
所述的氟硅烷疏水改性剂为十七氟癸基三乙氧基硅烷、十七氟癸基三甲氧基硅烷、十三氟辛基三甲氧基硅烷、十三氟辛基三乙氧基硅烷中的任意一种或几种。
所述的无水乙醇、氨水、二氧化硅前驱体、去离子水与氟硅烷疏水改性剂的体积混合比例为100:(3～8):(5～15):(2～5)：(0.5～1.2)。
实施例1
将1g木材纤维、100ml无水乙醇、5ml去离子水、3ml浓度为25％的氨水加入到烧杯中，磁力搅拌30分钟，混合均匀。然后，缓慢滴加5ml正硅酸乙酯，在60℃反应2小时，得到含纳米二氧化硅接枝木质纤维的混合液。
在60℃下，向上述混合液中缓慢滴加1ml十七氟癸基三乙氧基硅烷，搅拌反应90分钟。然后，经离心分离，并依次以去离子水和无水乙醇洗涤至滤液接近中性，再将固体物置于100℃烘箱中干燥6小时，得到纳米纳米二氧化硅/氟硅烷接枝改性木质纤维。经扫描电镜分析测得改性木质纤维表面纳米二氧化硅的平均粒径为150nm，接触角测量仪测得改性木质纤维的表面水接触角为139°。
实施例2
将2g竹纤维、100ml无水乙醇、4ml去离子水、5ml浓度为25％的氨水加入到烧杯中，磁力搅拌30分钟，混合均匀。然后，缓慢滴加7ml正硅酸甲酯，在60℃反应2小时，得到含纳米二氧化硅接枝木质纤维的混合液。
在60℃下，向上述混合液中缓慢滴加1.2ml十七氟癸基三甲氧基硅烷，搅拌90分钟。然后，经离心分离，并依次以去离子水和无水乙醇洗涤至滤液接近中性，再将固体物置于100℃烘箱中干燥6小时，得到纳米纳米二氧化硅/氟硅烷接枝改性木质纤维。经扫描电镜分析测得改性木质纤维表面纳米二氧化硅的平均粒径为230nm，接触角测量仪测得改性木质纤维的表面水接触角为146°。
实施例3
将3g麻纤维，100ml无水乙醇、4ml去离子水、3ml浓度为25％的氨水加入到烧杯中，磁力搅拌20分钟，混合均匀。然后，缓慢滴加10ml正硅酸甲酯，在45℃反应4小时，得到含纳米二氧化硅接枝木质纤维的混合液。
在45℃下，向上述混合液中缓慢滴加1ml十三氟辛基三甲氧基硅烷，搅拌70分钟。然后，经离心分离，并依次以去离子水和无水乙醇洗涤至滤液接近中性，再将固体物置于置于60℃烘箱中干燥10小时，得到纳米纳米二氧化硅/氟硅烷接枝改性木质纤维。经扫描电镜分析测得改性木质纤维表面纳米二氧化硅的平均粒径为200nm，接触角测量仪测得改性木质纤维的表面水接触角为143°。
实施例4
将3g竹纤维，100ml无水乙醇、4ml去离子水、3ml浓度为25％的氨水加入到烧杯中，磁力搅拌10分钟，混合均匀。然后，缓慢滴加15ml正硅酸乙酯，在50℃反应5小时，得到含纳米二氧化硅接枝木质纤维的混合液。
在50℃下，向上述混合液中缓慢滴加1.2ml十七氟癸基三乙氧基硅烷，搅拌90分钟。然后，经离心分离，并依次以去离子水和无水乙醇洗涤至滤液接近中性，再将固体物置于置于80℃烘箱中干燥6小时，得到纳米纳米二氧化硅/氟硅烷接枝改性木质纤维。经扫描电镜分析测得改性木质纤维表面纳米二氧化硅的平均粒径为210nm，接触角测量仪测得改性木质纤维的表面水接触角为142°。
实施例5
将3g竹纤维，100ml无水乙醇、4ml去离子水、3ml浓度为25％的氨水加入到烧杯中，磁力搅拌10分钟，混合均匀。然后，缓慢滴加15ml正硅酸乙酯，在50℃反应5小时，得到含纳米二氧化硅接枝木质纤维的混合液。
在50℃下，向上述混合液中缓慢滴加1.2ml十三氟辛基三乙氧基硅烷，搅拌90分钟。然后，经离心分离，并依次以去离子水和无水乙醇洗涤至滤液接近中性，再将固体物置于置于80℃烘箱中干燥6小时，得到纳米纳米二氧化硅/氟硅烷接枝改性木质纤维。经扫描电镜分析测得改性木质纤维表面纳米二氧化硅的平均粒径为210nm，接触角测量仪测得改性木质纤维的表面水接触角为135°。

Claims (7)

1.一种纳米二氧化硅/氟硅烷接枝改性木质纤维，其特征在于，由氟硅烷改性表面接枝纳米二氧化硅的木质纤维得到，水接触角为130°～160°，改性纤维表面的纳米二氧化硅粒径为30nm～500nm。
2.权利要求1所述的纳米二氧化硅/氟硅烷接枝改性木质纤维的制备方法，其特征在于，通过以下步骤实现：
第一步，将木质纤维、无水乙醇、去离子水、氨水按配比混合搅拌均匀；然后，向混合体系中缓慢滴加二氧化硅前驱体，于40℃～70℃反应2h～5h，得到含纳米二氧化硅接枝木质纤维的混合液；
第二步，在40℃～70℃下，向上述混合液中缓慢滴加氟硅烷疏水改性剂，搅拌反应0.5h～2h；然后，经离心分离，并依次以去离子水和无水乙醇反复洗涤至滤液呈中性，固体产物干燥，得到纳米二氧化硅/氟硅烷接枝改性木质纤维。
3.如权利要求2所述的纳米二氧化硅/氟硅烷接枝改性木质纤维的制备方法，其特征在于，所述的木质纤维为木材纤维、竹纤维、麻纤维中的任意一种或几种。
4.如权利要求2所述的纳米二氧化硅/氟硅烷接枝改性木质纤维的制备方法，其特征在于，所述的纳米二氧化硅的前驱体为正硅酸甲酯和/或正硅酸乙酯。
5.如权利要求2所述的纳米二氧化硅/氟硅烷接枝改性木质纤维的制备方法，其特征在于，所述的氟硅烷为十七氟癸基三乙氧基硅烷、十七氟癸基三甲氧基硅烷、十三氟辛基三甲氧基硅烷、十三氟辛基三乙氧基硅烷中的任意一种或几种。
6.如权利要求2所述的纳米二氧化硅/氟硅烷接枝改性木质纤维的制备方法，其特征在于，第一步中所述的无水乙醇、氨水、二氧化硅前驱体、去离子水与氟硅烷疏水改性剂的体积混合比例为100:3-8:5-15:2-5：0.5-1.2。
7.如权利要求2所述的纳米二氧化硅/氟硅烷接枝改性木质纤维的制备方法，其特征在于，第二步中所述的固体产物干燥条件为温度60℃～105℃、时间5h～10h。
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