一种纤维素复合氧化硅超疏水材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种纤维素复合氧化硅超疏水材料及其制备方法，属于超疏水材料领域，通过低温等离子体预处理不同表面形貌结构的纤维素基底，然后利用低温等离子体增强化学气相沉积技术在基底上沉积初步氧化硅层，再通过低温等离子体修饰上述沉积的氧化硅层，最后再次沉积氧化硅层，从而在纤维素基底上制备得到微纳结构超疏水表面，得到纤维素复合氧化硅超疏水材料，是一种环境友好型生物基疏水材料。本发明专利技术得到的纤维素复合氧化硅超疏水材料对4～80℃的水均具超疏效果，水接触角大于150°，水滚动角小于6°，且其工艺简单、性能稳定、安全高效、成本较低，可广泛应用于包装、餐具、防污等领域。

A cellulose composite silicon oxide superhydrophobic material and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种纤维素复合氧化硅超疏水材料及其制备方法
本专利技术涉及超疏水材料领域，特别是涉及一种纤维素复合氧化硅超疏水材料及其制备方法。
技术介绍
疏水材料有特殊表面润湿性，对水和茶、果汁、碳酸类饮料等液体均具有较大接触角和较低滚动角。尤其是超疏水材料，常具防水、防冰、防污自清洁或流体减阻等功能，可广泛应用于表面防护、医疗器械、显示屏、纺织以及产品包装等领域。纤维素是自然界含量最为丰富的天然高分子材料，无毒无害、绿色环保，具有良好的加工性、机械性能、生物相容性和可降解性，是非常具有潜力的石油化工产品替代物。但纯纤维素类材料渗透性较大，有相对较强的水蒸气、氧气、二氧化碳和氮气透过性，易吸湿吸油且抗冲击性和热稳定性均较差。因此，随着全球范围内掀起的环保大潮，将纤维素类基材进行疏水改性获得超疏水材料，既可缓解资源矛盾、又是环境友好型生物基材料成为新材料首选。作为可持续生物质材料的“生力军”，市场空间巨大。依据仿生学理论，获得超疏水表面特性主要通过两种途径：一是在常规基底表面修饰表面能相对较低的物质，如氟碳类、有机硅类、烃类化合物以及氧化锌、二氧化钛等金属氧化物；二是在低表面能基底表面构造粗糙的微纳层级结构。依据这些原理，目前常见超疏水材料制备技术和工艺主要有：光刻技术、等离子体刻蚀技术、微纳增材制造技术、涂布法、模板法、自组装法、沉积法、静电纺丝法、纳米压印和铸造法等，这些方法大部分是以玻璃、金属或常规稳定性聚合物为基底，不适合热稳定性不佳的生物质材料，同时存在耗时较长，操作过程繁复，成本较高等问题。而低温等离子体增强化学气相沉积氧化硅技术的操作方法灵活、工艺重复性好，制备的氧化硅薄膜杂质少、阻隔性高、透明度好、化学性能稳定，可通过改变前驱体和气体混合物来精确控制镀层及修饰镀层；尤其能满足在较低温度下的制备需求，减少材料热损伤，这对于温度相对敏感的纤维素基底而言非常重要。因此，作为一种高效、低成本、清洁环保的超疏水材料方面表面改性方法，低温等离子体增强化学气相沉积氧化硅技术应用前景非常广阔。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种纤维素复合氧化硅超疏水材料的制备方法，以解决上述现有技术存在的问题，该纤维素复合氧化硅超疏水材料的制备工艺简单、安全高效、成本较低，可大幅度提高原纤维素基底的疏水性和阻隔性。为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：本专利技术提供一种纤维素复合氧化硅超疏水材料的制备方法，包括以下步骤：(1)制备纸、纸板或薄膜基底形式的纤维素基底材料；(2)采用低温等离子体预处理纤维素基底材料；(3)采用低温等离子体增强化学气相沉积技术在预处理后的纤维素基底材料上沉积200～1200nm初步氧化硅层；(4)去除步骤(3)中残余反应物后，采用低温等离子体修饰沉积的初步氧化硅层；(5)在修饰后的初步氧化硅层上采用低温等离子体增强化学气相沉积技术再次沉积40～160nm氧化硅层，最终形成微纳结构超疏水表面。进一步地，步骤(1)中所述纤维素基底材料为针叶木纤维素基底、阔叶木纤维素基底、竹类纤维素基底或禾草类纤维素基底；进一步地，所述针叶木为红松、马尾松、云杉和水杉；所述阔叶木为杨木、桉木和桦木；所述竹类为毛竹、慈竹和水竹；所述禾草类为甘蔗渣、稻草、芦苇、玉米秆和芭蕉秆。进一步地，步骤(1)中所述纤维素基底材料的表面形貌结构为光滑平面状、波纹状、方格状或点阵状。进一步地，步骤(1)中所述纸和纸板基底形式的定量为60～500g/m2，薄膜基底形式的定量为38～68g/m2。纤维素类基底材料的制备优选漂白浆为原料来制备纸和薄膜两种基底，其工艺如下：a.不同表面形貌纸基底(纸张和纸板)制备：将漂白浆充分润湿后疏解，配制成10％浓度纸浆，使用PFI打浆机打浆，在此期间可根据使用需求添加助剂；然后称取打浆后湿浆，使用凯塞纸页快速成型设备抄纸。最后，对于纸张而言，将初步压榨脱水后的单张湿纸页夹在载纸板和一定规格的盖布间进行干燥；对于纸板而言，按需求顺序将各湿纸页叠合在一起，两面各放载纸板和毛毯，再充分压榨脱水，干燥压光。其中，盖布为180～300目不同纹路(如平纹、斜纹、缎纹、方孔状和凹凸点阵状等)的滤布或无纺布，可在干燥后获得单表面形状不同的纸基底，如图1中a、b、c所示。b.不同表面形貌薄膜基底制备：将漂白浆充分润湿后疏解，配制成2％～3％浓度纸浆，使用超微粉碎机研磨6～10次；然后将磨好的浆料加水稀释到1％浓度以下，再使用高压均质机进行处理，压力为1000～2000bar，次数为12～20次，得到纳米纤维素纤丝(CNFs)悬浮液；最后根据抄纸原理，使用砂芯滤斗和滤膜将CNFs悬浮液抽滤成膜，夹在载纸板和盖布间脱水干燥，得到单表面形状不同的纳米纤维素薄膜，如图1中d、e所示。进一步地，所述步骤(2)中采用低温等离子体预处理纤维素基底材料时，电极板板间距为2～6cm。进一步地，所述步骤(2)中以氩气与氧气、氩气与二氧化碳或氩气与空气的混合气体为载气；氩气∶另一种气体体积比为1∶10～1∶1；腔体内真空度为15～30Pa，功率为50～150W，频率为40kHz；预处理时间为30～180s。采用低温等离子体预处理基底处理后，基底表面粗糙度降低3％～10％，碳元素含量降低，氧元素含量增加，氧/碳比增加。优先设置电极板板间距为3cm，以氩气∶空气体积比为1∶2的混合气体为载气，腔体内真空度保持为25Pa，功率为100W；预处理时间对于纸基底为90s，对于薄膜基底为60s。进一步地，步骤(3)和步骤(5)中所述低温等离子体增强化学气相沉积技术方法中，所用单体为四甲基二硅氧烷、六甲基二硅氧烷、四甲基二乙烯基二硅氧烷、双(叔丁基氨基)硅烷、三甲基(二甲氨基)硅烷、原硅酸四乙酯、二异丙胺硅烷、双(二乙基氨基)硅烷、八甲基环四硅氧烷、十甲基环五硅氧烷或十二甲基环六硅氧烷，氧化剂为氧气；待腔内真空度为3Pa时，优先通入单体，再通入氧气；氧气∶单体的体积比为1∶1～1∶8，腔体内真空度为20～50Pa，功率为50～150W，频率为40kHz，沉积时间为1～20min。去除预处理残余物后待腔内真空度为3Pa时，优先通入单体，再通入氧气，有助于裂纹率低、性能稳定、均匀致密薄膜的生长。步骤(3)中优选以十甲基环五硅氧烷为单体，氧气∶单体的体积比为1∶3，腔体内真空度保持为20Pa，功率为100W；沉积时间对于纸基底为10min，对于薄膜基底为7min；步骤(5)中优选以十甲基环五硅氧烷为单体，氧气∶单体的体积比为1∶6，腔体内真空度保持为20Pa，功率为100W；沉积时间对于纸基底为3.5min，对于薄膜基底为2min。进一步地，步骤(4)中所述低温等离子体的单体为一氟甲烷、氟硅烷或氟硅氧烷，以氩气为辅助气体。氟硅烷如二氟二甲基硅烷、(三氟甲基)三甲基硅烷、十三氟辛基三乙氧基硅烷等；氟硅氧烷如三氟丙基甲基环三硅氧烷等。优选以(三氟甲基)三甲基硅烷为单体，腔体内真空度保持为30Pa，功率为120W；处本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种纤维素复合氧化硅超疏水材料，其特征在于，在纤维素基底上复合氧化硅，初次沉积的氧化硅层厚度为200～1200nm，材料表面粗糙度为23～104nm；再次沉积的厚度为40～160nm，得到材料最终表面粗糙度为46～132nm。/n

【技术特征摘要】
1.一种纤维素复合氧化硅超疏水材料，其特征在于，在纤维素基底上复合氧化硅，初次沉积的氧化硅层厚度为200～1200nm，材料表面粗糙度为23～104nm；再次沉积的厚度为40～160nm，得到材料最终表面粗糙度为46～132nm。


2.根据权利要求1所述的纤维素复合氧化硅超疏水材料，其特征在于，对4～80℃的水均具超疏水效果，水接触角大于150°，水滚动角小于6°。


3.根据权利要求1所述的纤维素复合氧化硅超疏水材料,其特征在于，所述纤维素基底为针叶木纤维素基底、阔叶木纤维素基底、竹类纤维素基底或禾草类纤维素基底；
所述针叶木为红松、马尾松、云杉和水杉；所述阔叶木为杨木、桉木和桦木；所述竹类为毛竹、慈竹和水竹；所述禾草类为甘蔗渣、稻草、芦苇、玉米秆和芭蕉秆。


4.一种纤维素复合氧化硅超疏水材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)制备纸、纸板或薄膜基底形式的纤维素基底材料；
(2)采用低温等离子体预处理纤维素基底材料；
(3)采用低温等离子体增强化学气相沉积方法在预处理后的纤维素基底材料上沉积200～1200nm初步氧化硅层；
(4)去除步骤(3)中残余反应物后，采用低温等离子体修饰沉积的初步氧化硅层；
(5)在修饰后的初步氧化硅层上采用低温等离子体增强化学气相沉积方法再次沉积40～160nm氧化硅层，最终形成微纳结构超疏水表面。


5.根据权利要求4所述的纤维素复合氧化硅超疏水材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述纤维素基底材料的表面形貌结构为光滑平面状、波纹状、方格状或点阵状。


6.根据权利要求4所述的纤维素复合氧化硅超疏水材料的制备方法，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵媛，黄崇杏，许扬帆，李翠翠，苏红霞，王健，张霖雲，赵辉，黄丽婕，段青山，
申请(专利权)人：广西大学，
类型：发明
国别省市：广西;45