CN111647189A - 一种增强氧化石墨烯改性生物填料挂膜性能的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种增强氧化石墨烯改性生物填料挂膜性能的方法，所述方法包括如下步骤：将硅烷偶联剂溶解于乙醇‑水/甲醇‑水溶液中，制备硅烷偶联剂的乙醇水溶液；在室温下，将填料基底浸泡于硅烷偶联剂的乙醇水溶液中，干燥；称取一定量的氧化石墨烯粉末，散在去离子水中，超声处理，得均匀分散液；将填料基底置于氧化石墨烯分散液中，浸渍，干燥，氧化石墨烯在填料基底表面沉积，形成致密层。本发明利用硅烷偶联剂中两种基团的偶联、改性、增粘作用，作为“分子桥”，改善氧化石墨烯和生物填料二者的相容性，增强界面结合强度，增加填料基底表面能，获得耐水力冲击、高亲水性、高亲生物性的改性填料，提高挂膜速度慢、挂膜量等性能。
Description
技术领域
本发明属于生物填料领域；尤其涉及一种增强氧化石墨烯改性生物填料挂膜性能的方法。
背景技术
生物填料是生物膜法的核心，目前聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯及聚酯等高分子材料，具有质轻、容易加工、比表面积大等优点，但是也有极性低、疏水性强、表面粗糙度低等特点，因此存在挂膜速度慢、挂膜量及微生物附着不牢固等不足。为了进一步提高性能，需要对填料表面进行改性处理，引入极性基团，提高填料的表面能，同时提高膜表面的粗糙度，增加表面的粘接性能，消除表面的弱边界层。
氧化石墨烯是近年来发现的石墨烯的一种衍生物，表面连接羟基、环氧基、羧基和羰基等大量含氧官能团，为氧化石墨烯连接各种特殊基团、有机小分子、生物大分子等提供活性位点，同时使得氧化石墨烯有较好的亲水性和分散性，其表面带负电荷，所以可以利用静电吸引作用或者表面特殊官能团的络合作用，吸附处理废水中带正电荷的重金属离子以及有机物等。而且含氧官能团在氧化石墨烯表面分布不均匀，因此表现为表面有大量的褶皱，具有较大的比表面积。
基于以上特点，对于纯高分子生物填料来说，氧化石墨烯的加入可以调节填料的孔洞结构，提高其表面粗糙度和比表面积，改善填料的力学性能，增加其孔隙率，赋予表面电荷，提高其表面亲水性，缩短挂膜时间、有利于微生物生长，可用于提高污水处理效率。但是由于极性的氧化石墨烯材料与非极性的高分子生物填料基体之间缺乏良好的相容性,导致二者的界面往往难以有效结合。目前应用较多的填料表面改性技术是化学氧化法，虽然能使填料表面***糙、含氧官能团增加、亲水性增强，但该方法对填料内部结构的破坏不容忽视，不仅减少了填料的使用寿命，而且操作复杂，不够环保，没有从根本上解决结合力的问题。因此，改善二者的相容性，增强其界面结合强度,是提高生物填料表面改性的关键点之一。
硅烷偶联剂分子中带有两种不同反应活性的基团，具有偶联、改性、增粘等作用。硅烷偶联剂中存在两种基团，一种是亲和高分子表面的亲有机基团，一种是亲和除高分子以外的其它活性基团，正是由于这一特性可以把两种不同化学结构类型和亲和力相差很大的材料在界面连接起来,起到一个“分子桥”的作用,可以增加氧化石墨烯与高分子生物填料基底间的结合强度。
发明内容
本发明提供了一种增强氧化石墨烯改性生物填料挂膜性能的方法，即提高氧化石墨烯与生物填料基底结合力，该方法是利用硅烷偶联剂对填料基底表面进行修饰，使其表面先附着官能团，从而增强氧化石墨烯与填料基底的结合力。这里的硅烷偶联剂为3-氨丙基-三乙氧基硅烷、环氯丙氧基丙基-三甲氧基硅烷、3,3,3-三氟丙基-三甲氧基硅烷，这里的填料为高分子材料聚丙烯、聚乙烯、聚氨酯。
本发明涉及一种增强氧化石墨烯改性生物填料挂膜性能的方法，所述方法包括如下步骤：
步骤一，将硅烷偶联剂溶解于乙醇-水溶液中，制备硅烷偶联剂的乙醇水溶液；
步骤二，在室温下，将填料基底浸泡于硅烷偶联剂的乙醇水溶液中，干燥；
步骤三，称取一定量的氧化石墨烯粉末，在搅拌作用下，分散在去离子水中，超声处理，制得0.1-3g/L均匀分散液；
步骤四，将填料基底置于氧化石墨烯分散液中，在压力驱动下，浸渍2h-6h，80℃-150℃干燥1-4h，氧化石墨烯在填料基底表面沉积，形成致密层。
优选地，步骤一中，所述乙醇-水溶液的质量百分含量为50％-98％。
优选地，步骤一中，所述硅烷偶联剂的乙醇水溶液的质量浓度为2g/L-10g/L。
优选地，步骤二中，所述填料基底为聚乙烯、聚丙烯或聚氨酯中的一种。
优选地，步骤二中，所述浸泡时间为2h，
优选地，步骤二中，所述干燥在80℃-150℃条件下，时间为1-4h。
优选地，步骤三中，所述超声2-6h。
优选地，步骤四中，所述浸渍的时间为2h-6h。
优选地，步骤四中，所述干燥的温度为80℃-150℃。
优选地，步骤四中，所述干燥的时间为1-4h。
在本发明的方法有以下优点：
本发明针对现有化学氧化法对氧化石墨烯和生物填料基底结合力不强，影响氧化石墨烯改性填料挂膜性能的问题。本发明利用硅烷偶联剂中两种基团的偶联、改性、增粘作用，将其作为“分子桥”，改善氧化石墨烯和生物填料二者的相容性，增强其界面结合强度，增加填料基底表面能，获得耐水力冲击、高亲水性、高亲生物性的改性填料，提高挂膜速度慢、挂膜量等性能。
附图说明
图1是本发明实施例1制备的1#填料的杨氏模量与未添加硅烷偶联剂的0#填料的对比图；
图2是本发明实施例2制备的2#填料的杨氏模量与未添加硅烷偶联剂的0#填料的对比图；
图3是本发明实施例3制备的3#填料的杨氏模量与未添加硅烷偶联剂的0#填料的对比图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。应当指出的是，以下的实施实例只是对本发明的进一步说明，但本发明的保护范围并不限于以下实施例。
实施例1
本实施例涉及一种增强氧化石墨烯改性生物填料挂膜性能的方法，所述方法包括如下步骤：
步骤一，将硅烷偶联剂(3-氨丙基-三乙氧基硅)溶解于95wt％的乙醇水溶液中，制备出质量浓度为8g/L的硅烷偶联剂的乙醇水溶液；
步骤二，在室温下，将预先清洗过的聚乙烯填料基底浸没于配制的硅烷偶联剂的乙醇水溶液中2h，然后将其取出并置于110℃条件下干燥2h后，取出并干燥保存以备用；
步骤三，称取一定量的氧化石墨烯粉末，在搅拌作用下分散在去离子水中，超声4h，制得0.5g/L均匀分散液；
步骤四，将处理后的填料基底置于上述氧化石墨烯分散液中，在压力驱动下，浸渍4h，80℃干燥2h，氧化石墨烯在填料基底表面沉积，形成致密层，制得1#填料。
采用纳米压痕仪对氧化石墨烯改性填料表面层的杨氏模量进行了表征，结果如图1所示，添加硅烷偶联剂的1#填料的杨氏模量远高于未添加硅烷偶联剂的0#填料。
实施例2
本实施例涉及一种增强氧化石墨烯改性生物填料挂膜性能的方法，所述方法包括如下步骤：
步骤一，将硅烷偶联剂(3-氨丙基-三乙氧基硅)溶解于95wt％的乙醇水溶液中，制备出质量浓度为2g/L的硅烷偶联剂的乙醇水溶液；
步骤二，在室温下，将预先清洗过的聚乙烯填料基底浸没于配制的硅烷偶联剂的乙醇水溶液中2h，然后将其取出并置于110℃条件下干燥2h后，取出并干燥保存以备用；
步骤三，称取一定量的氧化石墨烯粉末，在搅拌作用下分散在去离子水中，超声4h，制得0.5g/L均匀分散液；
步骤四，将处理后的填料基底置于上述氧化石墨烯分散液中，在压力驱动下，浸渍4h，80℃干燥2h，氧化石墨烯在填料基底表面沉积，形成致密层，制得2#填料。
采用纳米压痕仪对氧化石墨烯改性填料表面层的杨氏模量进行了表征，结果如图2所示，添加硅烷偶联剂的2#填料的杨氏模量远高于未添加硅烷偶联剂的0#填料。
实施例3
本实施例涉及一种增强氧化石墨烯改性生物填料挂膜性能的方法，所述方法包括如下步骤：
步骤一，将硅烷偶联剂(3-氨丙基-三乙氧基硅)溶解于95wt％的乙醇水溶液中，制备出质量浓度为8g/L的硅烷偶联剂的乙醇水溶液；
步骤二，在室温下，将预先清洗过的聚乙烯填料基底浸没于配制的硅烷偶联剂的乙醇水溶液中2h，然后将其取出并置于80℃条件下干燥2h后，取出并干燥保存以备用；
步骤三，称取一定量的氧化石墨烯粉末，在搅拌作用下分散在去离子水中，超声4h，制得0.5g/L均匀分散液；
步骤四，将处理后的填料基底置于上述氧化石墨烯分散液中，在压力驱动下，浸渍8h，80℃干燥2h，氧化石墨烯在填料基底表面沉积，形成致密层，制得3#填料。
采用纳米压痕仪对氧化石墨烯改性填料表面层的杨氏模量进行了表征，结果如图3所示，添加硅烷偶联剂的3#填料的杨氏模量远高于未添加硅烷偶联剂的0#填料。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质。
Claims (10)
1.一种增强氧化石墨烯改性生物填料挂膜性能的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤一，将硅烷偶联剂溶解于乙醇-水溶液中，制备硅烷偶联剂的乙醇水溶液；
步骤二，在室温下，将填料基底浸泡于硅烷偶联剂的乙醇水溶液中，干燥；
步骤三，称取一定量的氧化石墨烯粉末，在搅拌作用下，分散在去离子水中，超声处理，制得0.1-3g/L均匀分散液；
步骤四，将填料基底置于氧化石墨烯分散液中，在压力驱动下，浸渍，干燥，氧化石墨烯在填料基底表面沉积，形成致密层。
2.如权利要求1所述的增强氧化石墨烯改性生物填料挂膜性能的方法，其特征在于，步骤一中，所述乙醇-水溶液的质量百分含量为50％-98％。
3.如权利要求1所述的增强氧化石墨烯改性生物填料挂膜性能的方法，其特征在于，步骤一中，所述硅烷偶联剂的乙醇水溶液的质量浓度为2g/L-10g/L。
4.如权利要求1所述的增强氧化石墨烯改性生物填料挂膜性能的方法，其特征在于，步骤二中，所述填料基底为聚乙烯、聚丙烯或聚氨酯中的一种。
5.如权利要求1所述的增强氧化石墨烯改性生物填料挂膜性能的方法，其特征在于，步骤二中，所述浸泡时间为2h，
6.如权利要求1所述的增强氧化石墨烯改性生物填料挂膜性能的方法，其特征在于，步骤二中，所述干燥在80℃-150℃条件下，时间为1-4h。
7.如权利要求1所述的增强氧化石墨烯改性生物填料挂膜性能的方法，其特征在于，步骤三中，所述超声2-6h。
8.如权利要求1所述的增强氧化石墨烯改性生物填料挂膜性能的方法，其特征在于，步骤四中，所述浸渍的时间为2h-6h。
9.如权利要求1所述的增强氧化石墨烯改性生物填料挂膜性能的方法，其特征在于，步骤四中，所述干燥的温度为80℃-150℃。
10.如权利要求1所述的增强氧化石墨烯改性生物填料挂膜性能的方法，其特征在于，步骤四中，所述干燥的时间为1-4h。
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