CN114088701A - 一种可重复使用的酸碱指示材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可重复使用的酸碱指示材料及其制备方法。该酸碱指示材料包括基体材料和酸碱指示剂材料,其中,基体材料由微米级植物纤维紧密缠绕构成,酸碱指示剂材料附着在植物纤维的表面。本发明的制备方法为:将植物纤维表面用化学溶液处理,处理的过程与指示剂材料接触并吸附;然后用酸或者水清洗去除样品中的化学残留物、干燥,获得该材料。本发明制备的酸碱指示材料可以重复使用,其制备方法具有原料来源广泛,成本低、制备步骤简单等特点,具有广阔的应用范围。
Description
技术领域
本发明涉及一种可重复使用的酸碱指示材料及其制备方法,属于人工微结构材料领域。
背景技术
在生产生活与实验中经常需要对溶液的酸碱性进行定量或者定性检测。定量检测一般用到PH计。但大多数场景下并不考虑精确度,仅仅是需要定性检测溶液的酸碱性。从准确性方面来看,PH试纸一般不满足于精确度要求,所以常被用来定性检测,PH试纸也是实验中用到的最多的检测材料。但是PH试纸的缺点就是不可重复使用,这无疑会造成资源浪费。
因此,需要迫切开发一种可重复使用的酸碱指示材料。这种材料要满足原材料来源丰富并且可以在酸碱溶液中循环检测使用,即在酸碱溶液条件下保持自身结构。天然纤维素是自然界最丰富的天然高分子,具有成本低廉、可再生、环境友好等优点。因而利用纤维素制备新型的材料具有重大的科学价值和社会意义。
植物纤维通过微结构调控,可以达到在酸碱溶液中保持自身结构的能力,在微结构调控过程中引入具有酸碱指示功能的材料与纤维素纤维结合又会赋予材料酸碱指示的能力,可达到重复检测溶液酸碱性的效果,并且将材料浸泡在溶液中可实现实时检测。但利用植物纤维材料进行溶液可重复利用的酸碱性检测的研究,目前尚未见相关报道。
发明内容
本发明的目的是利用微米级的植物纤维提供一种可重复使用、实时检测酸碱指示新材料。本发明的另外一个目的是提供该新材料的制备方法。
本发明采用的技术方案为:
一种可重复使用的酸碱指示材料,包括基体材料和酸碱指示剂材料,所述基体材料由微米级植物纤维紧密缠绕构成,所述酸碱指示剂材料附着在植物纤维的表面。
进一步地,所述基体材料的密度为1.4-1.6g/cm3,拉伸强度为80-90MPa。
本发明一种可重复使用的酸碱指示材料的制备方法,包括以下步骤:
(1)将植物纤维用A处理溶液处理一定时间,以增加植物纤维表面纳米纤维的数量,使植物纤维分散并与A溶液中的酸碱指示剂材料充分结合;
(2)将经步骤(1)处理后的植物纤维置于低温下处理一定时间,使纤维硬化成块材;
(3)将块材的纤维放入B处理溶液中处理一段时间,之后放在酸或水中浸泡,以洗去化学残留物;
(4)经步骤(3)得到的纤维块材干燥即得到所述可重复使用的酸碱指示材料。
进一步地,在步骤(1)中,所述A处理溶液包括强碱溶液、碱/尿素混合溶液、氯化锂/二甲基乙酰胺溶液、离子液体、铜氨溶液或者N-甲基吗啉-N-氧化物溶液。
进一步地,在步骤(1)中,所述酸碱指示剂材料为硝基酚类、酚酞类、磺代酚酞类或偶氮类染料等具有酸碱指示效应的化合物。
进一步地,在步骤(2)中,所述处理一定时间具体为2小时到12小时。
进一步地,在步骤(3)中,所述B处理溶液为盐酸溶液、醋酸溶液、硫酸溶液或水,或以上溶液任意安全的组合方式。
进一步地,在步骤(3)中,所述处理一定时间具体为1分钟到72小时。
本发明以植物纤维(如棉纤维但不局限于棉纤维)以及酸碱指示材料(如石蕊、酚酞等)为原料,通过调控纤维的形态从而调控材料的微结构,赋予材料新的性能。本发明的优势在于:
(1)所得的可重复使用的酸碱指示材料由植物纤维以及微量指示剂材料构成,不含有其他外来物质,材料具有耐酸耐碱性能。
(2)制备过程仅需要将植物纤维放入处理溶液中部分溶解并吸附指示剂材料,而不涉及其他复杂的化学过程,生产工艺简单。并且植物纤维对指示剂材料具有极强的吸附能力,使得指示剂材料在使用过程中不会脱附。
(3)制备材料所用的植物纤维以及指示剂材料,来源十分丰富,使得本发明的制备方法可操作性强,并且制作成本低,耗时短。
(4)本发明制备的酸碱指示材料具有可循环使用的酸碱指示功能,并且在酸性或碱性溶剂中可以保持自己原有结构,可以浸泡在溶液中对溶液的酸碱性进行实时检测,未来在生产、实验等领域具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为实施例1中制备的酸碱指示材料表面形貌扫描电镜图;
图2为实施例1中制备的酸碱指示材料的实物图;
图3为实施例1中制备的酸碱指示材料在酸碱溶液中循环使用的性能图。
具体实施方式
实施例1:
将来源于棉花的纤维素纤维10g与7%NaOH,12%尿素,0.05%的刚果红染料(一种偶氮型指示剂)水溶液混合,并充分搅拌均匀,所需氢氧化钠尿素和染料的水溶液体积为100ml。混合溶液在-18℃温度下冷冻1小时后取出,纤维的形态从平直变成扭曲,纤维表面被轻微溶解,露出新鲜表面,并吸附染料。将纤维从溶液中取出之后浸入水中10小时,之后用去离子水多次清洗,然后将洗净的样品干燥,失水过程中,纤维主动收缩,形成致密的结构,最后得到酸碱指示材料。该材料的实物图见图2,从图中可以看出,本实施例的酸碱指示材料具有塑料板质感,并且质地硬,强度高,密度(约1.2-1.6g/cm3)接近纤维素的理论密度(约1.6g/cm3)。该材料有酸碱指示作用,一半为红色,另一半浸入酸性溶液中变为蓝色。
其扫描电镜图如图1所示,从图中看出该材料由微米级的植物纤维构成,植物纤维弯曲变形并紧密缠绕,形成非常致密的结构。图3显示制备的酸碱指示材料在酸碱溶液中可循环使用,这是由于纤维在溶剂中溶解均匀分散,增大了与染料接触的面积,使得纤维与染料的氢键密度增大,范德华力增强,然后通过后续干燥处理材料进一步收缩,使得染料被牢牢固定在纤维上,不会脱附。
实施例2:
将来源于木材的8g纤维素纤维与7%NaOH,12%尿素,0.05%的刚果红染料水溶液混合,并充分搅拌均匀,所需水溶液的体积为100ml。将所得混合体系在-13℃温度下冷冻处理3小时,纤维的形态从平直变成扭曲,纤维表面被轻微溶解,露出新鲜表面,并吸附染料。将纤维从溶液中取出之后浸入稀盐酸中72小时,之后用去离子水清洗,然后将洗净的样品干燥,失水过程中,纤维主动收缩,形成致密的结构,最后得到酸碱指示材料。
实施例3:
将来源于棉花的纤维素纤维10g与7%NaOH,12%尿素,0.05g的石蕊粉末水溶液混合,并充分搅拌均匀,所需氢氧化钠尿素和石蕊的水溶液体积为100ml。混合溶液在-18℃温度下冷冻1小时后取出,纤维的形态从平直变成扭曲,纤维表面被轻微溶解,露出新鲜表面,并吸附染料。将纤维从溶液中取出之后浸入水中稀硫酸中10小时,之后用去离子水多次清洗,然后将洗净的样品干燥,失水过程中,纤维主动收缩,形成致密的结构,最后得到酸碱指示材料。
实施例4:
将来源于麦秆的纤维素纤维20g与7%NaOH,12%尿素水溶液以及5ml酚酞溶液混合,并充分搅拌均匀,所需氢氧化钠尿素和酚酞水溶液的体积为160ml。混合溶液在-15℃温度下冷冻2小时后取出,该过程纤维溶胀和螺旋扭曲,纤维表面被轻微溶解,暴露出新鲜表面,并有效吸附酚酞。将纤维从溶液中取出之后浸入水48小时,之后用去离子水多次清洗,然后将洗净的样品干燥,干燥过程纤维主动收缩,形成致密的结构,最后得到酸碱指示材料。
实施例5:
将来源于棉花的纤维素纤维10g与7%NaOH,12%尿素以及0.05g甲基橙粉末的水溶液混合,并充分搅拌均匀,所需氢氧化钠、尿素、甲基橙水溶液的体积为110ml。混合溶液在-18℃温度下冷冻10min后取出,此时纤维溶胀和螺旋扭曲,纤维表面被轻微溶解,暴露新鲜表面,纤维吸附甲基橙。将纤维从溶液中取出之后浸入盐酸中48小时,之后用去离子水多次清洗,然后将洗净的样品干燥,此时样品主动收缩,形成致密结构,最后得到酸碱指示材料。
实施例6:
将来源于稻草的10g纤维素纤维与氯化锂/DMAc=8g:100ml,刚果红0.05g溶液混合,在温度140℃反应30min后,将所得混合体系静置10小时,纤维素表面被轻微溶解,暴露出新鲜的表面,纤维均匀吸附染料。将纤维从溶液中取出之后用去离子水多次清洗材料,然后将洗净的样品干燥,最后得到酸碱指示材料。
实施例7:
将来源于藤本植物的纤维素纤维100g与7%NaOH,12%尿素,0.05%刚果红染料水溶液混合,并充分搅拌均匀,所需水溶液的体积为1000ml。混合溶液在-13℃温度下冷冻24小时,此时纤维溶胀和螺旋扭曲,纤维表面被轻微溶解,暴露新鲜表面,染料紧紧吸附在纤维表面。将纤维从溶液中取出之后浸入醋酸中50小时,之后用去离子水多次清洗,然后将洗净的样品干燥,此时样品主动收缩,形成致密结构,最后得到酸碱指示材料。
实施例8:
将来源于棉花的纤维素纤维10g与铜氨溶液混合并充分搅拌均匀并加入0.05g刚果红染料,溶液中的Cu/NH3摩尔比为0.046/0.36,所需铜氨溶液50ml,将所得混合体系处理1小时,取出之后浸入10%NaOH溶液中10小时,此时纤维扭曲、缠绕,纤维表面被轻微溶解,纤维表面吸附染料,之后用去离子水多次清洗,然后将洗净的样品干燥,干燥时样品主动收缩,形成致密结构,最后得到酸碱指示材料。
Claims (8)
1.一种可重复使用的酸碱指示材料,包括基体材料和酸碱指示剂材料,其特征在于,所述基体材料由微米级植物纤维紧密缠绕构成,所述酸碱指示剂材料附着在植物纤维的表面。
2.根据权利要求1所述的一种可重复使用的酸碱指示材料,其特征在于,所述基体材料的密度为1.4-1.6g/cm3,拉伸强度为80-90MPa。
3.如权利要求1所述一种可重复使用的酸碱指示材料的制备方法,其特征在于,该方法包括以下步骤:
(1)将植物纤维用A处理溶液处理一定时间,使植物纤维发生溶解,纤维与纤维彼此分散并与A溶液中的酸碱指示剂材料充分结合;
(2)将经步骤(1)处理后的植物纤维置于低温下处理一定时间,使纤维硬化成块材;
(3)将块材的纤维放入B处理溶液中处理一段时间,之后放在酸或水中浸泡,以洗去化学残留物;
(4)经步骤(3)得到的纤维块材干燥即得到所述可重复使用的酸碱指示材料。
4.根据权利要求3所述的一种可重复使用的酸碱指示材料的制备方法,其特征在于,在步骤(1)中,所述A处理溶液包括强碱溶液、碱/尿素混合溶液、氯化锂/二甲基乙酰胺溶液、离子液体、铜氨溶液或者N-甲基吗啉-N-氧化物溶液。
5.根据权利要求3所述的一种可重复使用的酸碱指示材料的制备方法,其特征在于,在步骤(1)中,所述酸碱指示剂材料为硝基酚类、酚酞类、磺代酚酞类或偶氮类染料等具有酸碱指示效应的化合物。
6.根据权利要求3所述的一种可重复使用的酸碱指示材料的制备方法,其特征在于,在步骤(2)中,所述处理一定时间具体为2小时到12小时。
7.根据权利要求3所述的一种可重复使用的酸碱指示材料的制备方法,其特征在于,在步骤(3)中,所述B处理溶液为盐酸溶液、醋酸溶液、硫酸溶液或水,或以上溶液任意安全的组合方式。
8.根据权利要求3所述的一种可重复使用的酸碱指示材料的制备方法,其特征在于,在步骤(3)中,所述处理一定时间具体为1分钟到72小时。
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