CN115726216A - 一种超疏水纸地膜及其制备方法与应用 - Google Patents

一种超疏水纸地膜及其制备方法与应用 Download PDF

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徐艺
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Abstract

本发明公开了一种超疏水纸地膜，将纳米氧化锌分散液和纳米二氧化硅分散液依次涂覆在纸地膜基体上，或者将纳米氧化锌和纳米二氧化硅混合分散液涂覆在纸地膜基体上，干燥后即得一种超疏水纸地膜，本发明制备的SiO2/ZnO超疏水纸基地膜具有很好的低粘附效果，具有优良的疏水性能，接触角高达158°，且滚动角小于5°，表现出良好的超疏水性能，易于大规模应用。

Description

一种超疏水纸地膜及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于疏水材料技术领域，具体涉及一种超疏水纸地膜的制备方法及应用。
背景技术
在农业发展中，地膜覆盖扮演着越来越重要的角色，地膜不仅在提高农作物产量、提高农作物水分利用效率等方面有重要作用，而且在提高农作物质量方面也有积极作用，常见的传统地膜主要为不可降解的聚乙烯塑料地膜。
聚乙烯塑料地膜具有好的防渗透性和耐久性，但由于整体回收率较低，随着时间的推移，土壤中就会有残留塑料薄膜堆积，破坏农田土壤结构，进而降低土壤渗透性，阻碍农作物根系生长，反而起反作用导致农作物减产，由于地膜难降解这一问题的存在一直困扰着农业生产，可自行生物降解的地膜顺势进入人们的视野。
但是目前，尽管生物降解膜能够降解，但均存在加工困难、力学性能差和耐水性差的问题，相比来说，纸基地膜具有低成本，原料廉价易得等优点，更适用于实际农业生产中。纸地膜在农业生产中等领域具有重要的实用价值，但纸基地膜与塑料地膜相比也存在着一些不足，如现实生产中纸地膜表面容易存在凹坑、雨水容易积存、难免会有雨水浸泡、撕拉现象产生，所以纸地膜防渗透性、耐久性、湿强度以及机械稳定性都存在不足，从影响其使用寿命。
为此，能够提供一种具有防渗水、耐低温、耐老化性能的超疏水纸地膜是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种超疏水纸地膜及其制备方法与应用，本发明通过用纳米氧化锌/纳米二氧化硅悬浮液依次刷涂(或喷涂)在纸基地膜表面，经干燥一定时间，成功制备出易降解、低成本、具有较长使用寿命的超疏水纸地膜。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种超疏水纸地膜，包括纸地膜基体和超疏水层，所述超疏水层由纳米氧化锌和纳米二氧化硅复合组成。
本发明疏水纸地膜表面二氧化硅粒子互相堆积叠加，形成疏松粗糙的微纳米结构，而孔隙中存在空气，其会在纸表面和水之间形成一种空气层，起着隔绝的作用，防止水的浸入。
超疏水纸地膜的防水性以及耐久性是检测纸地膜实用性的依据之一，对制备好的超疏水纸地膜进行性能测试，对浸蚀耐久性、疏水性、机械稳定性进行测试，考察疏水纸的疏水性能和防渗透性能以及使用寿命长短，结果表明，该超疏水纸地膜具有优异的防水性、防渗透性能以及优异的耐低温和耐老化性能，能够更好的促进农业生产环境以及生产效率的进步与发展。
优选的，所述纳米氧化锌和所述纳米二氧化硅的质量比为4-5:4-6。
优选的，所述纳米氧化锌为纳米级粉末颗粒，粒径为50-100nm，为棒状结构。
优选的，所述纳米二氧化硅为纳米级粉末颗粒，粒径为50-100nm，其微结构为球形，呈絮状和网状的准颗粒结构。
纳米二氧化硅粉末颗粒是以硅氧四面体为基本结构形成的立体网状结构，在晶体结构中，Si原子为正四面体中心，O原子为四面体顶点，每个硅原子与四个氧原子相连，每个氧原子与两个硅原子相连，这种特殊的化学结构，赋予其优异的疏水性能。
上述所述一种超疏水纸地膜的制备方法，包括以下具体步骤：将纳米氧化锌分散液和纳米二氧化硅分散液依次涂覆在纸地膜基体上，或者将纳米氧化锌和纳米二氧化硅混合分散液涂覆在纸地膜基体上，干燥后即得一种超疏水纸地膜。
本发明提供了超疏水涂层的制备方法，所制备的超疏水涂层制备成本低、过程简单快速，超疏水性能稳定，不易老化失效，且在强酸强碱、高温、强紫外线等恶劣工况下正常工作；所制备的超疏水涂层具有较好的重复利用能力和使用寿命。
优选的，所述纳米氧化锌分散液的质量分数为4-5％，所述纳米二氧化硅分散液的质量分数为4-6％。
优选的，所述纳米氧化锌分散液的制备方法为：量取100-150mL无水乙醇溶液，按40-50g/L含量称取纳米氧化锌粉末加入到所述无水乙醇溶液中，用搅拌3-5min，超声分散20min，得到纳米氧化锌分散溶液。
优选的，所述纳米二氧化硅分散液的制备方法为：量取100-150mL无水乙醇溶液，按50-55g/L含量称取纳米二氧化硅粉末加入到无水乙醇溶液中，搅拌3-5min，超声分散20min，得到纳米二氧化硅分散液。
优选的，所述纳米氧化锌和纳米二氧化硅混合分散液中纳米氧化锌的质量分数为4-5％，纳米二氧化硅的质量分数为4-6％。
优选的，根据权利要求5所述的一种超疏水纸地膜的制备方法，其特征在于，所述干燥的条件为50-60℃中干燥10-15min。
根据上述所述的超疏水纸地膜或上述所述的制备方法制备的超疏水纸地膜在农业生产中应用。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明提供了一种具有防渗水、耐低温耐老化性能的超疏水纸地膜制备方法，SiO2/ZnO超疏水纸基地膜具有很好的低粘附效果，具有优良的疏水性能，接触角高达158°，且滚动角小于5°，表现出良好的超疏水性能，易于大规模应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例1制备的超疏水纸地膜表面SEM图；
图2是本发明实施例1制备的超疏水纸地膜的气垫效应实验图；
图3是本发明实施例1制备的超疏水纸地膜老化后的SEM图和元素分布图；
图4是本发明实施例1制备的超疏水纸地膜和未处理纸地膜老化前后自清洁能力测试图；
图5是本发明实施例1制备的超疏水纸地膜低温情况下疏水性测试图；
图6是本发明实施例1制备的超疏水纸地膜防渗水能力测试图；
图7是本发明实施例1制备的超疏水纸地膜浸泡240h之后的剩余水量的状态图；
图8是本发明实施例1制备的ZnO涂层纸与原始纸地膜拉伸位移图；
图9是本发明实施例1制备的SiO2涂层纸与原始纸地膜自清洁与接触角测试图。
具体实施方式
下面将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一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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
一种超疏水纸地膜的制备方法，包括以下具体步骤：
(1)纳米氧化锌分散液的制备：用量筒量取100mL无水乙醇溶液，倒入烧杯中，用精密电子秤按40g/L含量称取纳米氧化锌粉末，将这些粉末加入到无水乙醇溶液中，用玻璃棒搅拌5min，把烧杯放在超声波离散机中超声分散20min，制成质量分数为4％的纳米氧化锌分散溶液；
(2)纳米二氧化硅分散液的制备：用量筒量取100mL无水乙醇溶液，倒入烧杯中，用精密电子秤按55g/L含量称取纳米二氧化硅粉末，随后将这些粉末加入到无水乙醇溶液中，用玻璃棒搅拌5min，把烧杯放在超声波离散机中超声分散20min，制成质量分数为5.5％的纳米二氧化硅分散液；
(3)纳米超疏水纸地膜的制备：用毛刷将超疏水纳米氧化锌分散液均匀刷涂在已经干燥好的大小为5cm×2cm普通纸地膜上，刷涂厚度为0.02mm，置于50℃干燥箱中干燥10min取出，在此基础上，用毛刷将得到的超疏水纳米二氧化硅分散液均匀刷涂在已经刷涂过纳米氧化锌涂层的纸地膜上，刷涂厚度为0.02mm，再次置于50℃干燥箱中处理10min取出，置于干燥通风环境中，即得到一种超疏水纸地膜，所制备超疏水纸地膜表面接触角为158°，滚动角为4°，具有良好的疏水性。
实施例2
一种超疏水纸地膜的制备方法，包括以下具体步骤：
(1)纳米氧化锌和纳米二氧化硅混合分散液的制备：用量筒量取100mL无水乙醇溶液，倒入烧杯中，取纳米氧化锌粉末4g，取纳米二氧化硅粉末6g，纳米氧化锌粉末与纳米二氧化硅粉末按1:1.5比例加入到无水乙醇溶液中，用玻璃棒搅拌5min，把烧杯放在超声波离散机中超声分散20min，得到纳米氧化锌与纳米二氧化硅混合分散溶液；
(2)纳米超疏水纸地膜的制备：用毛刷将制备得到的超疏水纳米混合分散液均匀刷涂在已经干燥好的普通纸地膜上，置于50℃干燥箱中干燥10min取出，在此基础上，用毛刷将制备得到的超疏水纳米分散液再次均匀刷涂在的纸地膜上，进行二次刷涂，再次置于50℃干燥箱中处理10min取出，置于干燥通风环境中，即得到一种超疏水纸地膜，所制备超疏水纸地膜表面接触角为156.5°，滚动角为4°，具有良好的疏水性。
实施例3
本实施例与所述实施例1基本相同，不同之处在于，该实施例用喷涂的方法制备，分别将制备得到的纳米氧化锌分散液和纳米二氧化硅分散液依次均匀喷涂到50℃真空预热的纸地膜表面，两层分散液喷涂均匀后，继续50℃热处理20min，即得到一种超疏水纸地膜，所制备超疏水纸地膜表面接触角为156°，滚动角为4.5°，具有良好的疏水性。
实施例4
本实施例与所述实施例2基本相同，不同之处在于，该实施例用喷涂的方法制备，分别将制备得到的纳米氧化锌和纳米二氧化硅混合分散液均匀喷涂到50℃真空预热的纸地膜表面，混合液在纸地膜表面喷涂均匀后，继续50℃热处理10min，即得到一种超疏水纸地膜，所制备超疏水纸地膜表面接触角为157°，滚动角为4°，具有良好的疏水性。
图1到图6是采用实施例1超疏水纸地膜进行的相关实验结果，如图1中分别是是超疏水纸地膜表面纳米超疏水涂层SEM图(a)、纳米二氧化硅粒子(b)和纳米氧化锌粒子(c)，由图可见，在超疏水纸地膜表面，(b)中的二氧化硅纳米粒子为鳞片状结构，纳米氧化锌粒子(c)具有明显的“棒-点”微/纳粗糙结构，具有良好的疏水性能，并且其作为修饰剂通过共价键将纤维晶须和二氧化硅纳米粒子结合在一起，提高了机械稳定性，有利于提高纸地膜的耐拉伸性。
图2是超疏水纸地膜的气垫效应实验图，其中，(a)为超疏水纸地膜进入水中图，(b)为浸入水中的部分放大图，由图可见，具有明显的银镜效应，说明超疏水纸地膜表面具有丰富的凹凸粗糙结构，通过捕捉空气，形成了丰富的微气泡，可良好的隔离液相，从而起到良好的疏水作用；另外，(c)为液滴静置于超疏水纸地膜上的状态图，从图中可以看到水珠呈球状静置于浸泡之后的疏水纸上。
图3是将制备的超疏水纸地膜放入干热老化箱(参照国家标准GB/T464-2008，参数设置为温度105℃，时间72h)进行加速老化之后，不同位置((a)和(b))的SEM图片以及对应的元素分布图((c)和(d))，在(a)中，纤维上的粉末较少，因此表面具有普通纸地膜老化后的微观形态，并且表面收缩，纤维之间的连接不是特别紧密。与不涂布的纸质地膜相比，表面收缩率不是特别明显；(b)中纤维表面的粉末较多，因此表面平坦，纤维之间的距离不大，表明涂层对削弱纸地膜的老化起到了一定的作用；从(c)和(d)对应的元素分布图中可以看出，两个位置的C、O、N和Si含量没有明显差异，但(a)图位置中Zn的含量为1.27％，(b)图位置的含量为3.14％；因此，在纸地膜的耐老化过程中，起到作用的主要元素是Zn，由于纳米氧化锌能有效改善纸地膜内部的传热，提高纸地膜的耐热老化性，因此纳米ZnO/SiO2超疏水纸地膜的抗老化性能优于普通纸地膜，此外，纳米SiO2的加入还可以抑制复合纸的热老化，该超疏水纸地膜具有优异的耐老化性能，拥有良好的耐久性。
图4是超疏水纸地膜和未处理纸地膜老化前后自清洁能力测试图，(a)和(c)为未处理纸地膜老化前后测试图，(b)和(d)为制备超疏水纸地膜老化前后测试图；自清洁能力测试步骤为在纸表面均匀放上尘土颗粒，用滴管滴出15μL水，将其落至不同纸地膜表面，从(a)和(b)中可以看到，水珠在未处理纸地膜上呈现一种粘滞状态，水滴并未把纸表面的土渍清洁掉，而是和土渍一块从上至下呈现出一种流体状，水滴在超疏水纸地膜表面上，具有良好的清洁效率，可以观察到，水滴经过之处并无残土留下，出现明显的流动路径，可以看出超疏水纸地膜优异自清洁能力；(c)为干热老化后的未处理纸地膜，表面的水滴仍然不会滚落，(d)为干热老化后的超疏水纸地膜，从(d)可以看出，虽然老化超疏水纸地膜的滚动角度增加，但水流仍然可以将土壤颗粒从超疏水纸地膜表面向下携带，而不会留下明显的痕迹，老化后超疏水纸地膜依然具有优异自清洁能力，具有优异的实用价值。
图5是超疏水纸地膜低温情况下疏水性测试图，和图4操作类似，在纸表面均匀放上尘土颗粒，用滴管滴出15μL水，将其落低温处理的超疏水纸地膜表面，由图a-d可知，在-10℃时液滴在原始纸地膜表面发生聚集而不会发生滚落，而在ZnO/SiO2复合超疏水纸地膜表面我们可以清晰的看出，液滴在其表面清理出一条干净的区域，并且不会看到液滴的聚集，表现出良好的自清洁效果；由图e-h可知，在-25℃的条件下液滴仍在原始纸地膜表面发生聚集而不会发生滚落；相反的，在ZnO/SiO2复合超疏水纸地膜表面虽然仍能表现出自清洁效果，但其自清洁效果没能达到-10℃条件下的明显程度，但疏水性能依旧高于原始纸地膜，能够更好的应对冬季的恶劣天气，具有很好的实用价值。
图6是超疏水纸地膜防渗水能力测试图，从图中可以看出，经过240h室温静置过程之后，原始纸地膜透水量在144h就已经完全透过为10mL，而超疏水纸地膜透水量为0mL。
图7是超疏水纸地膜浸泡240h之后的剩余水量的状态图，可以清晰直观的看出超疏水纸地膜透水量为0mL，与原始纸地膜相比，疏水纸具有更加优异疏水特性和防渗水性，可以提高纸地膜的在潮湿环境中使用寿命，具有好的实用价值。
图8是纸地膜试样的拉伸位移曲线图，(a)为紫外前后原纸地膜拉伸位移图像，在转折点附近拉伸试样的力学特性发生变化，原纸地膜紫外前后最大测试力分别为20.1MPa、18.7MPa，紫外光对纤维分子中的H键、C-O、C-C键进行破坏后，纤维的机械强度急速下降，导致紫外后纸张试样的抗拉伸性能下降，紫外后的纸地膜所能承受的最大拉伸相较于紫外前降低了6.9％；(b)为紫外前后ZnO纸地膜拉伸位移图像,紫外老化前后ZnO纸地膜最大测试力分别为22.9MPa、21.6MPa，可以看到，尽管紫外后最大测试力也有相应的下降，但最大拉伸力依然大于原纸，当ZnO分散溶液涂抹在纸地膜表面时，对纸地膜表面原有缺陷进行填补，ZnO镀膜能够使纸地膜应力分布均匀，在一定程度上能够提高纸地膜的拉伸性能，增强纸地膜抗老化性能。
图9是本发明实施例1制备的SiO2涂层纸与原始纸地膜自清洁与接触角测试图，其中，(a)和(b)为原纸地膜自清洁实验图，可以看到水珠自由滚落，滚落到底过程中在试样表面形成一道很明显的混合流痕迹，自清洁效果差；(c)和(d)为SiO2纸地膜自清洁实验图，与原纸地膜不同，水珠滚落之后，在纸地膜表面形成明显的通道，没有留下污渍，自清洁效果良好；(e)是原纸地膜与SiO2纸地膜的静态接触角，每种纸地膜试样均测试5组数值，求取平均值得最终结果，原纸地膜静态接触角平均为131.2°，而SiO2纸地膜平均静态接触角为160.5°，表现出超疏水状态。
综上所述，所制备的纸地膜中存在的两种涂层各有自身的优势，其中纳米氧化锌涂层能够使得样品中应力分布更加均匀，提升材料断裂基点，使得材料表现出更加优异的抗老化、防渗透性能；纳米二氧化硅涂层能够使样品表现出优异的疏水性能，防止雨水的存留，进一步提升纸地膜的实用性能。将两种涂层结合起来，能够使所制备出的超疏水纸地膜具有防渗透、抗抗老化等一系列优异的性能，实现了所制备纸地膜的一个先进性。
各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种超疏水纸地膜，其特征在于，包括纸地膜基体和超疏水层，所述超疏水层由纳米氧化锌和纳米二氧化硅复合组成。
2.根据权利要求1所述的一种超疏水纸地膜，其特征在于，所述纳米氧化锌和所述纳米二氧化硅的质量比为4-5:4-6。
3.根据权利要求1所述的一种超疏水纸地膜，其特征在于，所述纳米氧化锌为纳米级粉末颗粒，粒径为50-100nm，为棒状结构。
4.根据权利要求1所述的一种超疏水纸地膜，其特征在于，所述纳米二氧化硅为纳米级粉末颗粒，粒径为50-100nm，其微结构为球形，呈絮状和网状的准颗粒结构。
5.一种超疏水纸地膜的制备方法，其特征在于，包括以下具体步骤：将纳米氧化锌分散液和纳米二氧化硅分散液依次涂覆在纸地膜基体上，或者将纳米氧化锌和纳米二氧化硅混合分散液涂覆在纸地膜基体上，干燥后即得一种超疏水纸地膜。
6.根据权利要求5所述的一种超疏水纸地膜的制备方法，其特征在于，所述纳米氧化锌分散液的质量分数为4-5％，所述纳米二氧化硅分散液的质量分数为4-6％。
7.根据权利要求5所述的一种超疏水纸地膜的制备方法，其特征在于，所述纳米氧化锌和纳米二氧化硅混合分散液中纳米氧化锌的质量分数为4-5％，纳米二氧化硅的质量分数为4-6％。
8.根据权利要求5所述的一种超疏水纸地膜的制备方法，其特征在于，所述涂覆为刷涂或者喷涂。
9.根据权利要求5所述的一种超疏水纸地膜的制备方法，其特征在于，所述干燥的条件为50-60℃中干燥10-15min。
10.根据权利要求1-4任一项所述的超疏水纸地膜或权利要求5-9任一项所述的制备方法制备的超疏水纸地膜在农业生产中应用。
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