一种超疏水交联二氧化硅纤维泡沫的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种超疏水交联二氧化硅纤维泡沫的制备方法。该方法通过静电纺丝及烧结制备二氧化硅纤维，然后将二氧化硅纤维分散于去离子水中并用戊二醛交联，通过冷冻干燥来获得二氧化硅纤维泡沫；进一步通过气相沉积法采用氟硅烷偶联剂对纤维泡沫进行表面改性，获得具有超疏水性能的交联二氧化硅纤维泡沫。制得的超疏水交联二氧化硅纤维泡沫无需纳米粒子改性，耐用性强，且耐腐蚀、耐高温、表观密度低、具有回弹性能，可从水中吸收多种有机溶剂，可重复使用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于无机纤维材料
，涉及一种超疏水交联二氧化硅纤维泡沫的制备方法。
技术介绍
具有超疏水性能的泡沫材料能够实现水中的油污吸收，具有弹性的泡沫材料可通过挤压简单地实现油污的回收再利用。而目前超疏水泡沫材料多基于聚氨酯、三聚氰胺等热固性泡沫塑料为模板，通过粒子改性来实现超疏水性能。这一方法最大的缺陷是表面粒子粘附性差，重复使用中粒子脱落易造成水污染并使泡沫吸附性能降低。此外，基于泡沫塑料改性的超疏水材料表观密度较高，单位质量吸附率较低。因此，开发一种轻质、高吸附率、且无需粒子改性的超疏水泡沫材料具有重要意义。根据Cassie-Baxter理论，超疏水表面可以通过提高表面粗糙度和降低材料表面能来实现。除了使用纳米粒子涂覆外，使平滑的表面转化为纳米及亚微米级纤维结构能够在微米尺度上提高粗糙度，减小液体与固体的接触面积。另外，材料的表面能通常可通过接枝改性低表面能基团来降低，例如使用含氟硅烷偶联剂改性。而目前具备纤维结构的超疏水泡沫材料的报道及应用极少，且多基于聚合物材料。其耐高温、耐腐蚀性能较差。二氧化硅具有耐高温、抗腐蚀、生物相容性良好等特点。二氧化硅纤维可用于分离、过滤、载药、催化等领域。然而二氧化硅表面易于羟基化具有亲水性，纤维之间缺乏交联导致弹性较低。通过化学交联及表面改性的方法有望赋予二氧化硅纤维弹性及超疏水性能，从而制备一种新型的轻质、高吸附率的超疏水二氧化硅纤维泡沫。
技术实现思路
本专利技术的目的在于开发一种基于二氧化硅纤维的，超疏水高吸附率的弹性泡沫材料的制备方法。本专利技术所述的基于二氧化硅纤维的，超疏水高吸附率的弹性泡沫材料的制备方法包括如下步骤：（1）二氧化硅纤维的制备：以正硅酸乙酯以及水溶性聚合物作为载体，在酸催化下制备正硅酸乙酯/聚合物溶液，采用静电纺丝法制备正硅酸乙酯/聚合物纤维，将制备的纤维置于马弗炉内，在空气中高温钙化，获得微米及亚微米级尺度的二氧化硅纤维；（2）进行交联二氧化硅纤维泡沫的制备；（3）交联二氧化硅纤维泡沫的表面改性：使用含氟硅烷偶联剂通过气相沉积法对制备的交联二氧化硅纤维泡沫进行表面改性。一种超疏水交联二氧化硅纤维泡沫的制备方法，具体包括如下步骤：（1）将正硅酸乙酯与去离子水在室温下搅拌混合均匀后加入酸催化剂，继续搅拌，得到正硅酸乙酯前驱体溶液；将配制好的水溶性聚合物溶液与正硅酸乙酯前驱体溶液混合，室温下搅拌，陈化，得到正硅酸乙酯/聚合物溶液；（2）静电纺丝和高温钙化烧结：将正硅酸乙酯/聚合物溶液装入针管，通过液体泵来定量控制溶液流速，溶液通过平口针头流入高压电场，在电场中形成的纤维堆叠于平面铝箔纸收集板上；将得到的纤维进行高温钙化烧结，得到二氧化硅纤维；（3）采用高速搅拌机将二氧化硅纤维充分分散于去离子水中，形成二氧化硅纤维悬浮液，加入戊二醛，充分搅拌混合后浇注入模具，升温后保温，获得二氧化硅纤维水凝胶；将二氧化硅纤维水凝胶冷冻，再用冷冻干燥机进行冷冻干燥，得到交联二氧化硅纤维泡沫；（4）将交联二氧化硅纤维泡沫与含氟硅烷偶联剂密封于玻璃皿内，并将玻璃皿置于真空烘箱中，保温，得到所述超疏水交联二氧化硅纤维泡沫。进一步地，步骤（1）中，所述水溶性聚合物包括聚乙烯醇、聚环氧乙烷、聚乙烯吡咯烷酮或聚乙二醇。进一步地，步骤（1）中，所述酸催化剂包括硫酸、磷酸、盐酸或醋酸。进一步地，步骤（1）中，所述正硅酸乙酯与去离子水的混合时间为2h。进一步地，步骤（1）中，正硅酸乙酯与去离子水的摩尔比例为1：9~12；酸催化剂与正硅酸乙酯的摩尔比为1:50~100。进一步地，步骤（1）中，所述继续搅拌的时间为5~10小时，保证正硅酸乙酯的完全水解并防止其过度交联。进一步地，步骤（1）中，所述水溶性聚合物溶液的浓度为10%~18%wt./vol.。进一步地，步骤（1）中，正硅酸乙酯前驱体溶液与水溶性聚合物溶液混合的体积比为1:0.5~2，混合后室温下搅拌时间为2~5小时。进一步地，步骤（1）中，所述陈化为50~80℃下陈化1~5小时，以促进体系交联，提高溶液粘度。进一步地，步骤（2）中，所述静电纺丝的工艺参数为：电压为15~20kV，溶液流速为0.5~2ml/h，针头距收集板的工作距离为15~20cm。进一步地，步骤（2）中，所述高温钙化烧结为：以5~20℃/min的速率升温至400~800℃，恒温2~5小时，最后自然降温至室温。进一步地，步骤（3）中，所述分散过程中的搅拌转速为1000~5000r/min。进一步地，步骤（3）中，所述二氧化硅纤维悬浮液的浓度5~10mg/ml。进一步地，步骤（3）中，所述戊二醛的添加量为二氧化硅纤维质量的5%~20%。进一步地，步骤（3）中，所述保温的温度为60~80℃，保温时间为3~5小时。进一步地，步骤（3）中，所述冷冻为-80~-20℃下冷冻4~6小时。进一步地，步骤（3）中，所述冷冻干燥是在-50~-20℃下冷冻干燥3~5天。进一步地，步骤（4）中，所述含氟硅烷偶联剂包括十七氟癸基三甲氧基硅烷、十七氟癸基三乙氧基硅烷、十七氟癸基三氯硅烷、十三氟辛基三甲氧基硅烷、十三氟辛基三乙氧基硅烷、十三氟癸基三氯硅烷、全氟十二烷基三甲氧基硅烷、全氟十二烷基三乙氧基硅烷、全氟十二烷基三氯硅烷或三氟丙基三甲氧基硅烷。进一步地，步骤（4）中，所示含氟硅烷偶联剂与交联二氧化硅纤维泡沫的质量比为0.01~0.05:1。进一步地，步骤（4）中，设置真空烘箱的温度为100~120℃，真空度为40~50mm汞柱。进一步地，步骤（4）中，所述保温的时间为8~15小时。与现有技术相比，本专利技术具有如下优点和有益效果：（1）本专利技术制得的超疏水交联二氧化硅纤维泡沫通过交联纤维网络结构来提高样品表面粗糙度，无需进行纳米粒子涂覆，因而性能稳定，且耐用性强、耐腐蚀、耐高温；（2）含氟硅烷偶联剂表面改性使纤维的表面能降低，从而提升交联二氧化硅纤维的疏水性能；（3）纤维的交联网络使超疏水交联二氧化硅纤维泡沫具有形变回复性能，而超低密度使其具有极高的液体吸收率；（4）二氧化硅的耐腐蚀和耐高温性能使纤维泡沫对水中的不同有机溶剂进行吸收，且吸收有机溶剂后的纤维泡沫可通过挤压、乙醇浸泡或直接点燃的方式来除去有机溶剂，从而使纤维泡沫可重复使用。附图说明图1为实施例1中烧结后获得的二氧化硅纤维的扫描电镜照片；图2为实施例1制备的超疏水交联二氧化硅纤维泡沫的微观结构不同放大倍率的扫描电镜照片；图3为实施例2制备的超疏水交联二氧化硅纤维泡沫的循环压缩测试曲线；图4为实施例5制备的超疏水交联二氧化硅纤维泡沫表面的接触角测试结果；图5为实施例5制备的超疏水交联二氧化硅纤维泡沫对不同有机溶剂及油的吸附率测试结果。具体实施方式以下结合具体实施例对本专利技术作进一步阐述，但本专利技术不限于以下实施例。实施例1（1）将50mmol正硅酸乙酯与10ml去离子水混合在在室温下搅拌混合2h后加入0.8mmol硫酸作为催化剂，室温下搅拌10小时，制得正硅酸乙酯前驱体溶液；将1.5g聚环氧乙烷在80℃下充分溶解于10ml去离子水中制得15%wt./vol.聚环氧乙烷溶液；将配置好的正硅酸乙酯溶液与聚环氧乙烷溶液以1：1的体积比混合，在室温下搅拌3小时，以使组分混合均匀；将混合均匀的正硅酸乙酯/聚环本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超疏水交联二氧化硅纤维泡沫的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）将正硅酸乙酯与去离子水在室温下搅拌混合均匀后加入酸催化剂，继续搅拌，得到正硅酸乙酯前驱体溶液；将配制好的水溶性聚合物溶液与正硅酸乙酯前驱体溶液混合，室温下搅拌，陈化，得到正硅酸乙酯/聚合物溶液；（2）静电纺丝和高温钙化烧结：将正硅酸乙酯/聚合物溶液装入针管，通过液体泵来定量控制溶液流速，溶液通过平口针头流入高压电场，在电场中形成的纤维堆叠于平面铝箔纸收集板上；将得到的纤维进行高温钙化烧结，得到二氧化硅纤维；（3）采用高速搅拌机将二氧化硅纤维充分分散于去离子水中，形成二氧化硅纤维悬浮液，加入戊二醛，充分搅拌混合后浇注入模具，升温后保温，获得二氧化硅纤维水凝胶；将二氧化硅纤维水凝胶冷冻，再用冷冻干燥机进行冷冻干燥，得到交联二氧化硅纤维泡沫；（4）将交联二氧化硅纤维泡沫与含氟硅烷偶联剂密封于玻璃皿内，并将玻璃皿置于真空烘箱中，保温，得到所述超疏水交联二氧化硅纤维泡沫。

【技术特征摘要】
1.一种超疏水交联二氧化硅纤维泡沫的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）将正硅酸乙酯与去离子水在室温下搅拌混合均匀后加入酸催化剂，继续搅拌，得到正硅酸乙酯前驱体溶液；将配制好的水溶性聚合物溶液与正硅酸乙酯前驱体溶液混合，室温下搅拌，陈化，得到正硅酸乙酯/聚合物溶液；（2）静电纺丝和高温钙化烧结：将正硅酸乙酯/聚合物溶液装入针管，通过液体泵来定量控制溶液流速，溶液通过平口针头流入高压电场，在电场中形成的纤维堆叠于平面铝箔纸收集板上；将得到的纤维进行高温钙化烧结，得到二氧化硅纤维；（3）采用高速搅拌机将二氧化硅纤维充分分散于去离子水中，形成二氧化硅纤维悬浮液，加入戊二醛，充分搅拌混合后浇注入模具，升温后保温，获得二氧化硅纤维水凝胶；将二氧化硅纤维水凝胶冷冻，再用冷冻干燥机进行冷冻干燥，得到交联二氧化硅纤维泡沫；（4）将交联二氧化硅纤维泡沫与含氟硅烷偶联剂密封于玻璃皿内，并将玻璃皿置于真空烘箱中，保温，得到所述超疏水交联二氧化硅纤维泡沫。2.根据权利要求1所述的一种超疏水交联二氧化硅纤维泡沫的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述水溶性聚合物包括聚乙烯醇、聚环氧乙烷、聚乙烯吡咯烷酮或聚乙二醇；所述酸催化剂包括硫酸、磷酸、盐酸或醋酸。3.根据权利要求1所述的一种超疏水交联二氧化硅纤维泡沫的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述正硅酸乙酯与去离子水的混合时间为2h；正硅酸乙酯与去离子水的摩尔比例为1：9~12，酸催化剂与正硅酸乙酯的摩尔比为1:50~100；所述继续搅拌的时间为5~10小时；所述水溶性聚合物溶液的浓度为10%~18%wt./vol.；正硅酸乙酯前驱体溶液与水溶性聚合物溶液混合的体积比为1:0.5~2，混合后室温下搅拌的时间为2~8小时；所述陈化为50~80℃下陈化1~5...

【专利技术属性】
技术研发人员：米皓阳，经鑫，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东;44