一种利用瓦楞纸/纳米二氧化钛制备纳米疏水纸的方法
技术领域
本发明涉及的是一种利用瓦楞纸/纳米二氧化钛制备纳米疏水纸的方法。属于生物质纳米纤维材料。
背景技术
二氧化钛(TiO2)是一种重要的无机半导体功能材料,具有湿敏、气敏、介电效应、光电转化及优越的光催化性能等特性,在传感器、介电材料、自清洁材料、太阳能电池、光催化降解污染物等高科技领域有着重要的应用前景。
纳米二氧化钛具有很强的“超疏水性”,在它的表面不易形成水珠,而且纳米二氧化钛在可见光照射下可以对碳氢化合物作用。利用这样个特点可以在玻璃、陶瓷和瓷砖的表面涂上一层纳米二氧化钛薄层,利用氧化钛的光催化反应就可以把吸附在氧化钛表面的有机污染物分解为CO2和O2,同剩余的无机物一起可被雨水冲刷干净,从而实现自清洁功能。日本东京已有人在实验室研制成功自洁瓷砖,这种新产品的表面上有一薄层纳米二氧化钛,任何粘污在表面上的物质,包括油污、细菌在光的照射下,由于纳米二氧化钛的催化作用,可以使这些碳氢化合物物质进一步氧化变成气体或者很容易被擦掉的物质。纳米二氧化钛光催化作用使得高层建筑的玻璃、厨房容易粘污的瓷砖、汽车后视镜及前窗玻璃的保洁等都变得容易。
瓦楞原纸一般用阔叶木制备磨木浆或半化学浆制造,在挺度、环压强度、拉伸强度、耐破度、耐撕裂度等物理强度方面都较好,且纸的松厚度较好。
植物界的一些植物表面如荷叶、水稻、玫瑰花,以及一些动物的特殊的皮肤、脚爪等表面本身对水滴的特殊疏水作用。这种特殊的表面结构能使得植物表面保持叶面的自清洁,延长水滴在植物表面的停留时间,以及扩大动物与水的接触面积,从而使动物能安全地在水面停留,以及减缓动物运动中水的阻力。疏水性指的是一个分子(疏水物)与水互相排斥的物理性质。疏水性分子偏向于非极性,并因此较会溶解在中性和非极性溶液(如有机溶液)。固体表面的浸润性可以用接触角来衡量。此外判断一个表面的疏水效果时,还应该考虑到它的动态过程,一般用滚动角来衡量。
发明内容
本发明提出的是一种利用瓦楞纸/纳米二氧化钛制备纳米疏水纸的方法,其目的是以瓦楞纸作为原材料,通过化学预处理;结合机械法研磨、超声等处理制得纳米纤维素;将制备好的纳米纤维素溶液与纳米二氧化钛复合,在硅烷偶联剂的偶联作用下,采取真空抽滤方式在常温下制备出超疏水纳米纸。
本发明的技术解决方案:一种利用瓦楞纸/纳米二氧化钛制备纳米疏水纸的方法,具本包括以下三个步骤:(1)化学预处理;(2)机械处理,如研磨、超声等处理制得纳米纤维素;(3)将制备好的纳米纤维素溶液与纳米二氧化钛复合,在硅烷偶联剂的作用下,采取真空抽滤方式在常温下制备出超疏水纳米纸。
本发明的优点:本发明制备的浓度为10%二氧化钛的纳米纸强度可达63MPa,疏水效果好。本发明简便易行,操作简单,设备投资小,可以进行规模化生产。
附图说明
图1是瓦楞纸制备成纳米纤维的处理流程图。
具体实施方式
一种利用瓦楞纸/纳米二氧化钛制备纳米疏水纸的方法,其特征是该方法包括:(1)化学预处理;(2)机械处理制得纳米纤维素;(3)制备超疏水纳米纸。
所述的利用瓦楞纸制备纳米纤维方法,其特征是所述的化学预处理包括,1)称取10g瓦楞纸,用蒸馏水浸泡1h后用搅拌机打碎并过滤,定容至500ml;2)称取质量浓度为2%的氢氧化钠10g,在温度90℃的情况下处理2~4 h,室温下冷却后;3)用蒸馏水洗涤直至中性;4)称取4.5g的亚氯酸钠并量取4ml的冰乙酸,在温度为75℃的情况下处理三次,每次一小时,然后于室温冷却静置;5)用蒸馏水洗涤直至中性;称取质量浓度为2%的氢氧化钾10g,在温度为90℃的情况下处理2~4 h,然后于室温下冷却静置;6)用蒸馏水洗涤直至中性。称取4.5g的亚氯酸钠并量取4ml的冰乙酸,在温度为75℃的情况下处理一小时,然后静置冷却至室温;7)用蒸馏水洗涤直至中性。称取1%的氢氧化钾5g,在温度为90℃的情况下处理2~4 h,冷却后用蒸馏水洗涤直至中性;8)用量筒量取质量浓度为36%的盐酸14ml,在温度为80℃的情况下处理2~4 h,冷却后用蒸馏水洗涤直至中性得到瓦楞纸浆。
所述利用瓦楞纸制备纳米纤维的方法,其特征是所述的机械处理是1)取经化学处理并洗至中性的瓦楞纸浆500ml;2)在研磨机上研磨20次,每次40min;3)超声处理,将定容至500ml的溶液取50ml稀释至250ml进行超声处理40min,功率为1000W,制得纳米纤维素。
所述的一种利用瓦楞纸/纳米二氧化钛制备纳米疏水纸的方法,其特征是所述的制备超疏水纳米纸,具体步骤包括:
(1)将硅烷偶联剂在酒精的体系中接枝纳米二氧化钛:1)称取纳米二氧化钛颗粒5克,将其溶于108毫升酒精和3毫升去离子水的体系中,磁力搅拌5~10分钟;2)滴加1.52克浓度为25wt%的氨水溶液和1.8g的硅烷偶联剂,混合溶液在常温下强力搅拌1小时;3)溶液通过蒸馏水或者氨水在无水乙醇体系中离心,从硅烷偶联剂中纯化;4)重复进行多次纯化、离心,直至乙醇体系中没有硅烷偶联剂;5)经过24小时自然干燥,得到接枝改性的纳米二氧化钛颗粒。
(2)制备纳米二氧化钛疏水纸:包括1)取制备的纳米纤维素溶液,将不同量经过硅烷偶联剂改性后的纳米二氧化钛颗粒添加到纳米纤维素溶液,在转速为30000转/分钟的速度下进行高速机械混合;2)将处理后的纳米纤维素溶液超声,使其充分溶解并搅拌均匀;3)采用真空抽滤机进行真空抽滤,即得到纳米二氧化钛疏水纸,用干净的玻璃板压平,并放置于60摄氏度烘箱中干燥48h,之后将干燥好的薄膜放在自封袋封存。
实施例1
利用瓦楞纸制备纳米纤维方法是:化学预处理包括,1)称取10g瓦楞纸,用蒸馏水浸泡1h后用搅拌机打碎并过滤,定容至500ml;2)称取质量浓度为2%的氢氧化钠10g,在温度90℃的情况下处理2~4 h,室温下冷却后;3)用蒸馏水洗涤直至中性;4)称取4.5g的亚氯酸钠并量取4ml的冰乙酸,在温度为75℃的情况下处理三次,每次一小时,然后于室温冷却静置;5)用蒸馏水洗涤直至中性;称取质量浓度为2%的氢氧化钾10g,在温度为90℃的情况下处理2~4 h,然后于室温下冷却静置;6)用蒸馏水洗涤直至中性。称取4.5g的亚氯酸钠并量取4ml的冰乙酸,在温度为75℃的情况下处理一小时,然后静置冷却至室温;7)用蒸馏水洗涤直至中性。称取1%的氢氧化钾5g,在温度为90℃的情况下处理2~4 h,冷却后用蒸馏水洗涤直至中性;8)用量筒量取质量浓度为36%的盐酸14ml,在温度为80℃的情况下处理2~4 h,冷却后用蒸馏水洗涤直至中性得到瓦楞纸浆。
瓦楞纸制备纳米纤维的方法中的机械处理是:1)取经化学处理并洗至中性的瓦楞纸浆500ml;2)在研磨机上研磨20次,每次40min;3)超声处理,将定容至500ml的溶液取50ml稀释至250ml进行超声处理40min,功率为1000W,制得纳米纤维素。
本实施例瓦楞纸制备成纳米纤维的处理流程见图1。
实施例2
制备纳米二氧化钛疏水纸:1)取制备的纳米纤维素溶液,将浓度为10%经过硅烷偶联剂改性后的二氧化钛添加到纳米纤维素溶液,在转为25000转/分钟的速度下进行高速机械混合20min;2)将处理后的溶液超声,使其充分溶解并搅拌均匀;3)制备好的溶液采用真空抽滤机进行真空抽滤,即得到纳米二氧化钛疏水纸,用干净的玻璃板压平,并放置于60℃烘箱中干燥48h,之后将干燥好的薄膜放在自封袋封存。
实施例3
制备纳米二氧化钛疏水纸:1)取制备的纳米纤维素溶液,将浓度为20%经过硅烷偶联剂改性后的二氧化钛添加到纳米纤维素溶液,在转为30000转/分钟的速度下进行高速机械混合;2)将处理后的溶液超声,使其充分溶解并搅拌均匀;3)制备好的溶液采用真空抽滤机进行真空抽滤,即得到纳米二氧化钛疏水纸,用干净的玻璃板压平,并放置于60℃烘箱中干燥48h,之后将干燥好的薄膜放在自封袋封存。
实施例4
疏水性测试:在纳米纤维溶液中加入浓度为10%的纳米二氧化钛,测试纳米纸表面的疏水性。先将较为平整的薄膜剪成规格4×4cm的测试样品,用小型针筒在样品上滴加一滴去离子水,同时进行拍照、记录并用接触角测定仪测定接触角。
实施例5
疏水性测试:在纳米纤维溶液中加入浓度为20%的纳米二氧化钛,测试纳米纸表面的疏水性。先将较为平整的薄膜剪成规格4×4cm的测试样品,用小型针筒在样品上滴加一滴去离子水,同时进行拍照、记录并用接触角测定仪测定接触角。
实施例6
透光率:二氧化钛浓度为10%处理后制得的纤维素纳米薄膜的透光率,在可视波长范围(400-800nm)内,常用透光率的波长选取600nm 处作为基准。纯纳米纤维素膜测得在600nm处的透光率为80%,纤维素溶液中加入二氧化钛后,二氧化钛浓度为10%的纳米纤维素膜透光率为65%。
实施例7
拉伸性能:纯的纳米纤维素膜拉伸强度和弹性模量分别为74.16MPa和2.17GPa;二氧化钛浓度为10%的纳米纤维素膜拉伸强度和弹性模量分别为63.18MPa和3.53GPa,二氧化钛浓度为20%的纳米纤维素膜拉伸强度和弹性模量分别为50.48MPa、2.63GPa,
上述的具体实施方式只是示例性的,是为了能够更好的理解本发明内容,不应理解为是对本发明保护范围的限制,只要是根据本发明技术方案所作的改进,均落入本发明的保护范围。