一种pH响应性植物纤维功能材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种pH响应性植物纤维功能材料及其制备方法和应用，以植物纤维为基体，在其表面通过自由基引发接枝阴性pH响应基团和阳性pH响应基团；通过控制阴性pH响应单体和阳性pH响应单体在反应体系中的浓度分别保持在0.138～0.552mol/L和0.14～0.56mol/L，以及控制单体的加入顺序，使植物纤维表面接枝的阴性pH响应基团和阳性pH响应基团的质量比为1:2～4或2～4:1，基团在植物纤维表面总的接枝率为50～80％，从而使材料在较窄pH范围内具有较高的pH响应性灵敏度，实现材料亲水疏油性和亲油疏水性之间的双向智能转换，该材料油水分离效率高，再生稳定性好，具有良好的环境适用性。

【技术实现步骤摘要】
一种pH响应性植物纤维功能材料及其制备方法和应用
本专利技术属于纤维材料表面改性领域，具体涉及一种pH响应性植物纤维功能材料及其制备方法和应用。
技术介绍
随着世界经济的高速发展，出现了越来越多的环境问题。含油污水排放问题和溢油问题日益严重，这些环境问题对生态平衡和人类健康构成了严重威胁。例如，2013年泰国罗勇府海域原油泄漏，致使大范围的海域被原油污染，导致大量海洋动物生存环境被破坏而窒息死亡。另外，如果发动机中含有水分杂质的油，不仅会减短发动机的使用寿命，还会对运输造成安全隐患。含油污水以及含有水分杂质的油的净化问题，以及如何有效地进行油水分离是一个全球性的科学界以及工业生产上亟待解决的问题和挑战。油水分离的常用方法有沉降分离法、粗粒化法、气浮法、吸附法和膜分离法，但是这些方法所采用的材料其功能单一，只能单一实现“除水”或者“除油”，不能根据需要来实现“除水”和“除油”之间的性能转换。为了解决这些问题，现有技术利用材料表面润湿性的变化来制备响应性油水分离材料，这些材料能随着外部环境如温度、pH值、电场、溶剂或光的改变而改变其表面润湿性。由此，可以为解决油水分离的问题提供新的思路和方法。目前，现有的pH响应性材料不可调节或者自行设计，无法应对复杂多变的外界环境。现有的pH响应性材料大多利用两性单体聚合形成两性聚合物然后涂布于纸基表面与纸基物理结合，聚合物易脱落，再生性能差。现有的pH响应性材料在制备过程中容易出现pH响应单体均聚现象，以至于在pH响应性材料表面形成一种均聚物，进而影响油水分离的效率以及pH响应单体在纤维上的接枝率。现有的pH响应性材料灵敏度不高，无法在小范围pH值之间实现润湿性的转变。现有的pH响应性材料在进行油水分离时，容易受到环境的限制而降低其油水分离效率，造成材料损耗，且其生物性能较差，在使用过程中会对环境造成二次污染。因此，制备一种pH响应性灵敏度高、油水分离效率高、适用环境范围广，且环境友好的油水分离材料显得更加迫切和重要。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是克服上述现有技术的不足，提供一种pH响应性植物纤维功能材料及其制备方法和应用，该材料在较窄pH范围内具有较高的pH响应性灵敏度，可通过调节处理液pH值的变化，可实现材料亲水疏油性和亲油疏水性之间的双向智能转换，从而实现对油水混合物的可控分离，该材料油水分离效率高，再生稳定性好，具有良好的环境适用性。本专利技术的目的是提供一种pH响应性植物纤维功能材料；本专利技术的另一目的是提供上述pH响应性植物纤维功能材料的制备方法；本专利技术的再一目的是提供上述pH响应性植物纤维功能材料的应用。本专利技术上述目的是通过以下技术方案予以实现：一种pH响应性植物纤维功能材料，以植物纤维为基体，在其表面通过自由基引发接枝阴性pH响应基团和阳性pH响应基团，所述植物纤维表面接枝的阴性pH响应基团和阳性pH响应基团的质量比为1:2～4或2～4:1，阴性pH响应基团和阳性pH响应基团在植物纤维表面总的接枝率为50～80％。优选地，所述阴性pH响应单体为丙烯酸、丁烯酸、戊烯酸、己烯酸、庚烯酸、辛烯酸、壬烯酸、癸烯酸、3-苯基-2-丙烯酸、顺丁烯二酸、反丁烯二酸或2-甲基-4-己烯酸；所述阳性pH响应单体为丙烯酰胺、丁烯酰胺、戊烯酰胺、己烯酰胺、庚烯酰胺、辛烯酰胺、壬烯酰胺、癸烯酰胺、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺或N,N-二甲基丙酰胺。优选地，所述引发剂为硝酸铈铵、硫酸亚铁铵、过氧化环己酮、过氧化二苯甲酰、叔丁基过氧化氢、偶氮二异丁腈或偶氮二异庚腈。优选地，所述植物纤维为针叶木浆纤维、阔叶木浆纤维、竹浆纤维或蔗渣浆纤维。上述pH响应性植物纤维功能材料的制备方法，具体包括如下步骤：S1.将植物纤维充分分散于水中，加入引发剂，在200～300rpm的搅拌速度下，通入10～40min的氮气除氧，得到植物纤维分散液；所述植物纤维、水和引发剂的质量比为1:400～600:1.2～2.4；S2.将阴性pH响应单体溶于步骤S1制得的植物纤维分散液中，在40～90℃恒温、150～200rpm搅拌速度的条件下反应，采用衰减全反射-紫外/可见光谱技术实时分析接枝过程中反应体系中的阴性pH响应单体浓度，调控阴性pH响应单体的浓度保持在0.138～0.552mol/L，反应时间控制在3～7h，得到具有阴性pH响应性的植物纤维分散液；S3.将阳性pH响应单体溶于步骤S2制得的具有阴性pH响应性的植物纤维分散液中，在40～90℃恒温、150～200rpm搅拌速度的条件下反应，采用衰减全反射-紫外/可见光谱技术实时分析接枝过程中反应体系中的阳性pH响应单体浓度，调控阳性pH响应单体的浓度保持在0.14～0.56mol/L，反应时间控制在3～7h，得到pH响应性植物纤维功能材料。上述制备方法制得的pH响应性植物纤维功能材料的纤维表面接枝的阴性pH响应基团和阳性pH响应基团的质量比为1:2～4，阴性pH响应基团和阳性pH响应基团在纤维表面总的接枝率为50～80％。上述pH响应性植物纤维功能材料的制备方法，具体包括如下步骤：S1.将植物纤维充分分散于水中，加入引发剂，在200～300rpm的搅拌速度下，通入10～40min的氮气除氧，得到植物纤维分散液；所述植物纤维、水和引发剂的质量比为1:400～600:1.2～2.4；S2.将阳性pH响应单体溶于步骤S1制得的植物纤维分散液中，在40～90℃恒温、150～200rpm搅拌速度的条件下反应，采用衰减全反射-紫外/可见光谱技术实时分析接枝过程中反应体系中的阳性pH响应单体浓度，调控阳性pH响应单体的浓度保持在0.14～0.56mol/L，反应时间控制在3～7h，得到具有阳性pH响应性的植物纤维分散液；S3.将阴性pH响应单体溶于步骤S2制得的具有阳性pH响应性的植物纤维分散液中，在40～90℃恒温、150～200rpm搅拌速度的条件下反应，采用衰减全反射-紫外/可见光谱技术实时分析接枝过程中反应体系中阴性pH响应单体的浓度，调控阴性pH响应单体的浓度保持在0.138～0.552mol/L，反应时间控制在3～7h，得到pH响应性植物纤维功能材料。上述制备方法制得的pH响应性植物纤维功能材料的纤维表面接枝的阴性pH响应基团和阳性pH响应基团的质量比为2～4:1，阴性pH响应基团和阳性pH响应基团在纤维表面总的接枝率为50～80％。上述制备方法还包括采用冷热水交替洗涤抽滤的方法将步骤S3制得的pH响应性植物纤维功能材料进行洗涤，然后在45～75℃条件下烘干。另外，本专利技术的pH响应性植物纤维功能材料在油水分离方面的应用也在本专利技术的保护范围内。所述的pH响应性植物纤维功能材料在油水分离方面的应用，通过调节处理液的pH值，来控制pH响应性植物纤维功能材料的pH响应范围如下：阴性pH响应基团与阳性pH响应基团的质量比＝1:3～4(不包含1:3)时，处理液pH＝1～3，所述pH响应性植物纤维功能材料具有亲水疏油性；处理液pH＝7～8，所述pH响应性植物纤维功能材料具有亲油疏水性；阴性pH响应基团与阳性pH响应基团的质量比＝1:2～3(不包含1:2)时，处理液pH＝3～5，所述pH响应性植物纤维功能材料具有亲水疏油性；处理液pH＝8～9，所述本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种pH响应性植物纤维功能材料，其特征在于，以植物纤维为基体，在其表面通过自由基引发接枝阴性pH响应基团和阳性pH响应基团，所述植物纤维表面接枝的阴性pH响应基团和阳性pH响应基团的质量比为1:2～4或2～4:1，阴性pH响应基团和阳性pH响应基团在植物纤维表面总的接枝率为50～80％。

【技术特征摘要】
1.一种pH响应性植物纤维功能材料，其特征在于，以植物纤维为基体，在其表面通过自由基引发接枝阴性pH响应基团和阳性pH响应基团，所述植物纤维表面接枝的阴性pH响应基团和阳性pH响应基团的质量比为1:2～4或2～4:1，阴性pH响应基团和阳性pH响应基团在植物纤维表面总的接枝率为50～80％。2.根据权利要求1所述的pH响应性植物纤维功能材料，其特征在于，所述阴性pH响应单体为丙烯酸、丁烯酸、戊烯酸、己烯酸、庚烯酸、辛烯酸、壬烯酸、癸烯酸、3-苯基-2-丙烯酸、顺丁烯二酸、反丁烯二酸或2-甲基-4-己烯酸；所述阳性pH响应单体为丙烯酰胺、丁烯酰胺、戊烯酰胺、己烯酰胺、庚烯酰胺、辛烯酰胺、壬烯酰胺、癸烯酰胺、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺或N,N-二甲基丙酰胺。3.根据权利要求1所述的pH响应性植物纤维功能材料，其特征在于，所述引发剂为硝酸铈铵、硫酸亚铁铵、过氧化环己酮、过氧化二苯甲酰、叔丁基过氧化氢、偶氮二异丁腈或偶氮二异庚腈。4.一种pH响应性植物纤维功能材料的制备方法，其特征在于，具体包括如下步骤：S1.将植物纤维充分分散于水中，加入引发剂，在200～300rpm的搅拌速度下，通入10～40min的氮气除氧，得到植物纤维分散液；所述植物纤维、水和引发剂的质量比为1:400～600:1.2～2.4；S2.将阴性pH响应单体溶于步骤S1制得的植物纤维分散液中，在40～90℃恒温、150～200rpm搅拌速度的条件下反应，采用衰减全反射-紫外/可见光谱技术实时分析接枝过程中反应体系中的阴性pH响应单体浓度，调控阴性pH响应单体的浓度保持在0.138～0.552mol/L，反应时间控制在3～7h，得到具有阴性pH响应性的植物纤维分散液；S3.将阳性pH响应单体溶于步骤S2制得的具有阴性pH响应性的植物纤维分散液中，在40～90℃恒温、150～200rpm搅拌速度的条件下反应，采用衰减全反射-紫外/可见光谱技术实时分析接枝过程中反应体系中的阳性pH响应单体浓度，调控阳性pH响应单体的浓度保持在0.14～0.56mol/L，反应时间控制在3～7h，得到pH响应性植物纤维功能材料。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述pH响应性植物纤维功能材料的纤维表面接枝的阴性pH响应基团和阳性pH响应基团的质量比为1:2～4，阴性pH响应基团和阳性pH响应基团在纤维表面总的接枝率为50～80％。6.一种pH响应性植物纤维功能材料的制备方法，其特征在于，具体包括如下步骤：S1.将植物纤维充分分散于水中，加入引发剂，在200～300rpm的搅拌速度下，通入10～40min的氮气除氧，得到植物纤维分散液；所述植物纤维、水和引发剂的质量比为1:400～600:1.2～2.4；S2.将阳性pH响应单体溶于步骤S1制得的植物纤维分散液中，在40～90℃恒温、150～200...

【专利技术属性】
技术研发人员：何辉，程梅笑，朱红祥，李云华，
申请(专利权)人：广西大学，
类型：发明
国别省市：广西,45