论文部分内容阅读
超疏水表面具有自清洁、防结冰、防雾、防腐蚀等特性,在汽车制造、建筑、微流体设备等领域具有广泛应用前景。然而,目前大部分超疏水材料源于石化资源,存在成本高、毒性大、难以生物降解等缺点。因此,开发基于天然材料的超疏水材料成为研究热点。近年来,纤维素因具有多分级结构且表面含有大量活性基团,易于化学修饰被应用于超疏水材料的研究。本课题以麦草为原料,通过预处理,得到不同木质素含量的纤维原料。分别采用超微粒研磨法和微射流法处理纤维原料,得到木质纤维素纳米纤丝。通过化学方法对木质纤维素纳米纤丝进行表面改性,制成超疏水表面,探究木质素对木质纤维素纳米纤丝超疏水材料制备及性能影响。本课题的主要研究内容和结果如下:1、超微粒研磨法制备麦草木质纤维素纳米纤丝及表征。采用NaOH预处理与超微粒研磨相结合的方法制备木质纤维素纳米纤丝,采用透射电镜(TEM)、X-射线衍射(XRD)、接触角仪、Zeta电位仪对其进行表征。结果表明,制备麦草木质纤维素纳米纤丝的最佳研磨条件为研磨2次、磨盘间距-150μm、转速为1500 r/min;超微粒研磨处理后,木质纤维素纳米纤丝保留了纤维素I型结晶形态;木质纤维素中的残余木质素会抑制木质纤维原料的纳纤化;木质素含量高的纳米纤丝具有较高的疏水性,但尺寸分布不均匀,分散液的稳定性较差。2、微射流法制备麦草木质纤维素纳米纤丝及表征。NaOH预处理后纤维原料采用微射流法制备纳米纤丝,采用TEM、XRD、接触角仪、Zeta电位仪对制备的纳米纤丝进行表征。结果表明,木质素含量高的纳米纤丝尺寸较大(直径为17 nm),纤维原料中的木质素在机械处理过程中会形成木质素纳米颗粒聚集体;纳米纤丝分散液的稳定性较差。XRD分析表明机械法处理只破坏无定型区,纤维素仍保留I型晶体结构。高木质素含量的纳米纤丝的接触角高达95.1°,具备一定的疏水性能。不同机械法处理得到的纳米纤丝在纳米纤丝形态、亲疏水性、稳定性、纤维素结晶结构等物理性能相差不大。3、木质素对纳米纤维素基超疏水材料性能的影响。以微射流法制备的纳米纤丝为原料,经全氟辛基三乙氧基硅烷(PFTS)和3-(2-氨基乙基氨基)丙基三甲氧基硅烷(APTS)改性后涂覆于基质上,形成超疏水表面。采用接触角仪、扫描电镜(SEM)、X射线光电子能谱仪(XPS)等对超疏水表面表征。结果表明,极少的PFTS(0.31 v/v%)用量就可使纳米纤丝具有超疏水性;纳米表面的微纳粗糙结构和低表面能物质共同作用形成超疏水表面;木质纤维素纳米纤丝中的残余木质素会阻碍其化学改性;木质素含量高的超疏水表面的耐磨性较差,然而,当受到强度较弱的破坏时,超疏水表面表现出较好的耐磨性。采用该方法制备的超疏水表面具有较好的防水性能和自清洁性能。4、不同硅氧烷体系改性的纳米纤丝超疏水材料性能差异。以超微粒研磨法制备的纳米纤丝为原料,经PFTS与γ-氨丙基三乙氧基硅烷(KH550)共混改性后涂覆于基质上,采用接触角仪、SEM、XPS等对超疏水表面表征。结果表明,PFTS和KH550的用量为0.3v/v%和1.5 v/v%,所得超疏水表面具有良好的自清洁性能以及耐磨性;纳米纤丝中的木质素会阻碍硅氧烷试剂与纤维素的偶联反应;PFTS与KH550体系改性纳米纤丝的疏水性和耐磨性弱于PFTS和APTS体系改性得到的纳米纤丝。与微射流法制备的纳米纤丝相比,不同机械法处理的纳米纤丝改性后具有相似的粗糙结构。PFTS和APTS体系更适用于改性纳米纤丝制备超疏水材料。