CN113856242A - 一种Janus棉及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种Janus棉及其制备方法与应用,其中,制备方法包括步骤:采用碱性溶液对初始棉材料进行刻蚀处理,得到预处理棉材料;将聚二甲基硅氧烷、固化剂、二氧化硅纳米颗粒和正己烷混合在一起,得到混合溶液;用水对所述预处理棉材料进行润湿处理后平铺在基板上,将所述混合溶液均匀涂覆在所述预处理棉材料表面,得到涂覆棉织物;将所述涂覆棉织物进行通风处理后再进行真空烘烤处理,得到所述Janus棉。本发明提供的方法简单易实现,且不会对环境造成二次污染,制备的Janus棉具有很好的耐磨、耐洗、耐酸、耐碱和耐温性,具有单向水运输能力,可以在油相中收集水,而且在重力的作用下可实现高效的轻油‑水混合物、重油‑水混合物分离。

Description

一种Janus棉及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及超润湿性材料技术领域,尤其涉及一种Janus棉及其制备方法与应用。
背景技术
在自然界中存在着许多生物表现出超润湿性,比如荷叶、蝴蝶的翅膀、沙漠甲虫的外壳、蜘蛛丝等,研究者们收到大自然的启发,对超润湿性材料已经刚展开了广泛的研究。超润湿性材料包括超疏水-超亲水型、超亲水-水下超疏油型和Janus膜,其中,Janus膜具有不对称润湿性,它的一侧表现为疏水性,另一侧表现为亲水性,它的不对称润湿性使它能够实现液体操纵,可应用于医用止血、油水分离、集水、防雾等方面。Janus膜在环境治理、生物医学等领域被广泛关注,具有重要研究意义。
目前,常用金属网、膜、滤纸、棉材料作为基材制备Janus膜。棉织物是一种可降解的天然高分子材料,它的表面有丰富的羟基,这使它表现为天然的超亲水性,因此,只需对它进行单侧疏水改性,即可制得Janus棉。然而现有用于制备Janus棉的方法有的需要用到毒性较大的有机溶剂,有的操作复杂,有的需要昂贵的设备,有的甚至要用到含氟改性剂,导致材料应用受限。
因此,现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足,本发明的目的在于提供一种Janus棉及其制备方法与应用,旨在解决现有制备油水分离材料的方法存在成本高,实用性差,对环境二次污染的问题。
本发明的技术方案如下:
一种Janus棉的制备方法,其中,包括步骤:
采用碱性溶液对初始棉材料进行刻蚀处理,得到预处理棉材料;
将聚二甲基硅氧烷、固化剂、二氧化硅纳米颗粒和正己烷混合在一起,得到混合溶液;
用水对所述预处理棉材料进行润湿处理后平铺在基板上,将所述混合溶液均匀涂覆在所述预处理棉材料表面,得到涂覆棉织物;
将所述涂覆棉织物进行通风处理后再进行真空烘烤处理,得到所述Janus棉。
所述Janus棉的制备方法,其中,在采用碱性溶液对初始棉材料进行刻蚀处理之前还包括步骤:
采用无水乙醇和超纯水在超声条件下分别对所述初始棉材料进行清洗处理。
所述Janus棉的制备方法,其中,所述碱性溶液为浓度0.1g/ml的NaOH溶液。
所述Janus棉的制备方法,其中,所述聚二甲基硅氧烷、固化剂和二氧化硅纳米颗粒的质量比为1:0.1:0.05。
所述Janus棉的制备方法,其中,所述聚二甲基硅氧烷与所述正己烷的质量体积比为1g:10ml。
所述Janus棉的制备方法,其中,将所述涂覆棉织物进行通风处理的步骤中,通风处理时间为20-40min。
所述Janus棉的制备方法,其中,将所述涂覆棉织物进行通风处理后再进行真空烘烤处理的步骤中,真空烘烤处理的温度为60-100℃,时间为2-4h。
一种Janus棉,其中,采用本发明所述Janus棉的制备方法制得。
一种Janus棉的应用,其中,将本发明Janus棉的制备方法制得的Janus棉或本发明所述的Janus棉用于油水分离。
有益效果:本发明提供了一种Janus棉的制备方法,通过将聚二甲基硅氧烷(PDMS)和SiO2纳米颗粒的正己烷混合液涂覆在被水润湿的棉织物表面,利用水与正己烷的相分离特点,以及正己烷的易挥发性,成功地将PDMS和SiO2纳米颗粒沉积在棉的单侧,灵活的实现棉织物的单面超疏水改性。本发明提供的方法简单易实现,且不会对环境造成二次污染,所制备的Janus棉的疏水梯度从被涂覆侧的超疏水性下降到未被涂覆侧的超亲水性,改性得到的Janus棉具有很好的耐磨、耐洗、耐酸、耐碱和耐温性,可以循环高效使用,提高了Janus-棉材料的实际应用性;该Janus棉具有单向水运输能力,可以在油相中收集水,而且在重力的作用下可实现高效的轻油-水混合物、重油-水混合物分离,且在不同的酸碱溶液中都有良好的不对称润湿性能,Janus棉具有良好的油水分离性能,普遍高于95%。
附图说明
图1为本发明一种Janus棉的制备方法较佳实施例的流程图。
图2为本发明一种Janus棉的制备方法示意图。
图3为实施例1制得的Janus棉分别以正辛烷、正庚烷、癸烷、十一烷、十二烷作为油相,以超纯水作为水相,测试油水分离的示意图。
图4为实施例1制得的Janus棉分别以正辛烷、正庚烷、癸烷、十一烷、十二烷作为油相,以超纯水作为水相,测得油水分离效率的直方对比图。
图5为实施例1制得的Janus棉的分离效率与循环次数变化图。
图6为实施例1制得的Janus棉的接触角随酸碱度变化图。
图7为实施例1制得的Janus棉的接触角随高温处理时间变化图。
图8为实施例1制得的Janus棉在20次摩擦后的接触角测试结果图。
具体实施方式
本发明提供一种Janus棉及其制备方法与应用,为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确,以下对本发明进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
棉织物是一种可降解的天然高分子材料,它的表面有丰富的羟基,这使它表现为天然的超亲水性,因此,只需对它进行单侧疏水改性,即可制得Janus棉。然而现有用于制备Janus棉的方法有的需要用到毒性较大的有机溶剂,有的操作复杂,有的需要昂贵的设备,有的甚至要用到含氟改性剂,导致材料应用受限。
基于此,本发明提供了一种简单的,对环境友好的Janus棉的制备方法,如图1所示,其包括步骤:
S10、采用碱性溶液对初始棉材料进行刻蚀处理,得到预处理棉材料;
S20、将聚二甲基硅氧烷、固化剂、二氧化硅纳米颗粒和正己烷混合在一起,得到混合溶液;
S30、用水对所述预处理棉材料进行润湿处理后平铺在基板上,将所述混合溶液均匀涂覆在所述预处理棉材料表面,得到涂覆棉织物;
S40、将所述涂覆棉织物进行通风处理后再进行真空烘烤处理,得到所述Janus棉。
如图2所示,本实施例通过将PDMS、SiO2纳米颗粒的正己烷混合液涂覆在被水润湿的棉织物表面,利用水与正己烷的相分离特点,以及正己烷的易挥发性,成功地将PDMS和SiO2纳米颗粒沉积在棉的单侧,灵活的实现单面超疏水改性。本实施例提供的方法简单易实现,且不会对环境造成二次污染,所制备的Janus棉的疏水梯度从被涂覆侧的超疏水性下降到未被涂覆侧的超亲水性,改性得到的Janus棉具有很好的耐磨、耐洗、耐酸、耐碱和耐温性,可以循环高效使用,提高了Janus棉材料的实际应用性;该Janus棉具有单向水运输能力,可以在油相中收集水,而且在重力的作用下可实现高效的轻油-水混合物、重油-水混合物分离,且在不同的酸碱溶液中都有良好的不对称润湿性能,Janus棉具有良好的油水分离性能,普遍高于95%。
更具体的讲,所述PDMS是一种弹性硅橡胶,具有较强的附着力,其与固化剂混合后能够牢固的附着在棉材料上。在本实施例中,所述SiO2纳米颗粒可通过所述PDMS的粘合作用,与所述PDMS一起牢固的粘附在初始棉材料的表面。由于所述PDMS与所述SiO2纳米颗粒均具有优异的强度、耐磨性,它们与初始棉材料有强附着力,增强了棉织物的耐磨、耐洗性。进一步地,由于初始棉材料的疏水侧被PDMS和二氧化硅纳米颗粒覆盖,它们都不会与酸或碱反应,因此疏水侧在强酸强碱下仍然保持超疏水性,具有良好的耐酸和耐碱性。棉织物、PDMS和二氧化硅纳米颗粒结构非常稳定,耐高温,所以Janus棉具有耐温性。
在一些实施方式中,采用无水乙醇和超纯水在超声条件下分别对所述初始棉材料进行清洗处理,之后再采用碱性溶液对初始棉材料进行刻蚀处理。本实施例中,通过对初始棉材料进行强碱刻蚀,能够增加初始棉材料表面的粗超度,便于与PDMS和二氧化硅纳米颗粒的结合;同时暴露初始棉材料表面的羟基,使初始棉材料表现更好的亲水性。
在一些实施方式中,所述碱性溶液为浓度0.1g/ml的NaOH溶液。
在一些实施方式中,所述聚二甲基硅氧烷、固化剂和二氧化硅纳米颗粒的质量比为1:0.1:0.05。
在一些实施方式中,所述聚二甲基硅氧烷与所述正己烷的质量体积比为1g:10ml。
在一些实施方式中,所述固化剂为商用的Sylgard 184固化剂,但不限于此。本实施例中,所述Sylgard 184固化剂可与所述PDMS搭配使用,形成网络结构,使PDMS和固化剂在混合时硬化。
在一些实施方式中,将所述涂覆棉织物进行通风处理的步骤中,通风处理时间为20-40min。
在一些实施方式中,将所述涂覆棉织物进行通风处理后再进行真空烘烤处理的步骤中,真空烘烤处理的温度为60-100℃,时间为2-4h。
在一些实施方式中,还提供一种Janus棉,其采用本发明所述Janus棉的制备方法制得。本实施例制备的Janus棉的疏水梯度从被涂覆侧的超疏水性下降到未被涂覆侧的超亲水性,改性得到的Janus棉具有很好的耐磨、耐洗、耐酸、耐碱和耐温性,可以循环高效使用,提高了Janus-棉材料的实际应用性;该Janus棉具有单向水运输能力,可以在油相中收集水,而且在重力的作用下可实现高效的轻油-水混合物、重油-水混合物分离,且在不同的酸碱溶液中都有良好的不对称润湿性能,Janus棉具有良好的油水分离性能,普遍高于95%。
在一些实施方式中,还提供一种Janus棉的应用,将本发明Janus棉的制备方法制得的Janus棉或本发明所述的Janus棉用于油水分离。在本实施例中,所述Janus棉具有单向水运输能力,可以在油相中收集水,而且在重力的作用下可实现高效的轻油-水混合物、重油-水混合物分离,且在不同的酸碱溶液中都有良好的不对称润湿性能,Janus棉具有良好的油水分离性能,普遍高于95%。
下面通过具体实施例对本发明一种Janus棉及其制备方法与应用做进一步的解释说明:
实施例1
一种Janus棉的制备方法,其包括以下步骤:
1)、用无水乙醇、超纯水在超声条件下洗净棉材料(50mm×50mm)上的杂质,0.1g/ml的NaOH溶液刻蚀,得到润湿的棉织物,后用超纯水除去残留碱,再放入烘箱烘干,备用;
2)、称取1gPDMS、0.1g固化剂和0.05gSiO2纳米颗粒到20ml的烧杯中,再加入10ml正己烷,用磁力搅拌器高速搅拌,获得PDMS、SiO2的正己烷混合液;
3)、将烘干备用的棉织物用水润湿,然后平整的铺在培养皿上,用刷子将PDMS、SiO2的正己烷混合液均匀涂覆在棉织物表面;
4)、被涂敷的棉织物放入通风处中30min,挥发除去表面的正己烷,最后放到80℃的真空烘箱中反应3h,即可获得Janus棉。
实施例2
对实施例1制得的Janus棉的油水分离性能、酸碱性、耐摩擦性、重复使用性和耐温性能进行测试
1)、轻油-水分离效率测试,油水分离效率的计算根据公式为:
Figure BDA0003272031100000071
其中,m1为分离后水的质量,m2为分离前水的总质量。
制作简易装置,分别以10g正辛烷、正庚烷、癸烷、十一烷和十二烷作为油相,以超纯水作为水相,对Janus棉材料的油水分离效率进行测试。结果如图3和图4所示,从图3-图4可以看出,对于相同超纯水的水相情况下,Janus型棉材料对正辛烷、正庚烷、癸烷、十一烷和十二烷均具有较高的油水分离效率,均高达95%以上。
利用相同的装置,对同一棉材料进行多次油水分离效率,每10次,测算一次分离效率,结果如图5所示,可以看到超疏水性棉材料具有较高的循环次数,即使在循环10次以后依然保持95%以上的油水分离效率。
2)、酸碱度对Janus棉疏水性影响测试
以超纯水、氢氧化钠、盐酸配置酸碱度范围由1到14的溶液,分别滴到超疏水表面,对接触角进行测试。如图6所示,在一定的酸碱度范围内,改性之后的棉材料一侧具有超疏水性,接触角普遍高于150°。
3)、耐温性测试
使用将材料置于100℃烘箱中高温处理100h,对其疏水侧表面接触角进行测试,如图7所示,疏水侧任保持超疏水性,这使得改性后的棉材料在实际应用中具有可行性和稳定性。
4)、摩擦对疏水性影响测试
使用200g砝码压住超疏水棉材料于400目砂纸摩擦10cm,摩擦处理20次,对其疏水侧表面接触角进行测试。如图8所示,摩擦使得疏水侧的疏水性呈现下降趋势,但仍处于较好的疏水表面,这使得改性后的棉材料在实际应用中具有可行性和稳定性。
应当理解的是,本发明的应用不限于上述的举例,对本领域普通技术人员来说,可以根据上述说明加以改进或变换,所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种Janus棉的制备方法,其特征在于,包括步骤:
采用碱性溶液对初始棉材料进行刻蚀处理,得到预处理棉材料;
将聚二甲基硅氧烷、固化剂、二氧化硅纳米颗粒和正己烷混合在一起,得到混合溶液;
用水对所述预处理棉材料进行润湿处理后平铺在基板上,将所述混合溶液均匀涂覆在所述预处理棉材料表面,得到涂覆棉织物;
将所述涂覆棉织物进行通风处理后再进行真空烘烤处理,得到所述Janus棉。
2.根据权利要求1所述Janus棉的制备方法,其特征在于,在采用碱性溶液对初始棉材料进行刻蚀处理之前还包括步骤:
采用无水乙醇和超纯水在超声条件下分别对所述初始棉材料进行清洗处理。
3.根据权利要求1所述Janus棉的制备方法,其特征在于,所述碱性溶液为浓度0.1g/ml的NaOH溶液。
4.根据权利要求1所述Janus棉的制备方法,其特征在于,所述聚二甲基硅氧烷、固化剂和二氧化硅纳米颗粒的质量比为1:0.1:0.05。
5.根据权利要求4所述Janus棉的制备方法,其特征在于,所述聚二甲基硅氧烷与所述正己烷的质量体积比为1g:10ml。
6.根据权利要求1所述Janus棉的制备方法,其特征在于,将所述涂覆棉织物进行通风处理的步骤中,通风处理时间为20-40min。
7.根据权利要求6所述Janus棉的制备方法,其特征在于,将所述涂覆棉织物进行通风处理后再进行真空烘烤处理的步骤中,真空烘烤处理的温度为60-100℃,时间为2-4h。
8.一种Janus棉,其特征在于,采用权利要求1-7任一所述Janus棉的制备方法制得。
9.一种Janus棉的应用,其特征在于,将权利要求1-7任一Janus棉的制备方法制得的Janus棉或权利要求8所述的Janus棉用于油水分离。
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