木棉纤维基弹性泡沫材料的制备及应用的制作方法

本发明涉及以生物质为碳源的吸附材料技术，具体涉及一种水热碳化制备的木棉纤维基弹性泡沫材料的制备及其应用。

背景技术：

随着工业化进程不断地加速，人类赖以生存的环境受到了巨大的污染。污染涉及水体、空气、土壤等。其中，水污染主要是由染料和原油、成品油泄露等所造成的。

由炭基材料构建的宏观材料(例如海绵、泡沫、气凝胶、水凝胶等炭基材料)在吸附和分离、环境修复等领域有着广泛的应用，使其在过去的十几年中引起了研究者们极大的兴趣。具有大比表面积及独特的电化学性能的碳纳米管和石墨烯是比较优异的基本结构构件单元，但是大批量制备碳纳米管和石墨烯材料还是具有很大的挑战性。近年来，天然材料(例如纤维素、淀粉等)由于具有环境友好、生产批量化、成本低等优势，能够作为基本结构单元制备成三维的功能材料，广泛地应用在吸附分离领域。但由于加工工艺复杂使其在进一步推广中受到了阻碍。

大尺寸管结构在吸附和分离领域尤为引人关注。与纳米管相比，大尺寸管结构提供的巨大通道不仅增加了其接触面而且还具有毛细管凝聚作用。目前，由大尺寸管结构组成的三维碳基材料少之又少。除了上述的特征以外，材料表面的特性也是至关重要的，这决定了材料在不同介质中的湿润度，很大程度上影响材料的实际应用。材料的表面特性主要由材料表面的分子结构决定，通过改变材料表面基团，可以赋予材料不同性能：超疏水行、超亲水性、双亲性；目前，都是通过对预成型的大尺寸管结构材料表面进行后修饰的方法，例如：添加静电效应、氢键、共价键、官能团等，来改变它们的表面特性。但是，对于这些宏观结构的额外化学修饰使实验步骤变得繁琐的同时还不利于其大规模生产。

木棉纤维，是一种生长在木棉树果实纤维中的天然的管状纤维素材料，木棉纤维具有独特的薄壁大中空结构，中空度可以达到86％以上，是天然生态纤维中最细、最轻、中空度最高的，可用作隔热、吸声材料和救生衣的浮力材料。木棉纤维由于其表面附有的蜡质本身具有优异的超疏水性能，因此，近些年木棉纤维常被用作吸油材料。但是，原始的木棉纤维管的两端是封闭的。如果直接使用原始木棉纤维作为吸附材料，其吸收利用率很低且无法再次重复利用。目前也有在n2保护下1000℃高温碳化处理原始木棉纤维使之成为超疏水性材料的技术，虽然这种材料具有可重复使用、耐火、超疏水等性能，但存在相同体积下对有机溶剂吸附能力较弱，制备过程工艺要求复杂、生产成本高等弊端。同时，也正因为它的超疏水性能，导致无法吸收溶解于水中的色素。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种木棉纤维基弹性泡沫材料的制备及应用。

为解决技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种木棉纤维基弹性泡沫材料的制备方法，包括下述步骤：

(1)称取适量的木棉纤维，置于聚四氟乙烯内衬的反应釜中；向反应釜中加入质量浓度为2.5～5％的戊二醛溶液，使木棉纤维完全浸没，并持续浸泡一段时间；

(2)使反应釜升温进行水热碳化反应，控制反应温度为180～220℃，反应时间为12～24小时；反应结束后自然冷却，得到块状棕色的弹性材料；

(3)先用去离子水再用无水乙醇对弹性材料进行浸泡和漂洗，直至最终浸泡液呈无色透明；将弹性材料自然晾干后，得到木棉纤维基弹性泡沫材料。

本发明中，所述持续浸泡的时间为12小时。

本发明中，所述先用去离子水再用无水乙醇对弹性材料进行浸泡和漂洗，是指：先用去离子水对弹性材料进行浸泡和漂洗，再用无水乙醇对弹性材料进行浸泡和漂洗。

本发明还提供了所述木棉纤维基弹性泡沫材料作为吸附材料的应用。

发明原理描述：

本发明利用中空、超长的木棉纤维为炭源，这种天然材料由于表面附有一层蜡质本身，具有优异的超疏水能力。使用戊二醛作为结构增强剂，能保护木棉纤维的中空结构不坍塌和不被破坏。木棉纤维管壁主要由糖苷键联结的多糖网络结构组成，可以通过温和的水热碳化过程转化为具有更好稳定性和强度的富碳材料。经过本发明所述水热碳化后，可得到整体型面纤维基弹性泡沫，且木棉纤维表面的基团发生变化，使得到的木棉纤维基弹性泡沫具有两亲性，同时具有弹性和可重复吸附性能，可用于多种油、有机溶剂和水溶液中染料的吸附。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明利用木棉纤维通过一步法制备有端口开放的大孔管道的弹性泡沫，可以弥补以传统方法制备炭基材料的不足。

2、本发明原料来源丰富、价格低廉，相对于现有的木棉纤维的处理技术(高温碳化)具有制备过程简单、生产成本低等特点。

3、通过该方法制备得到具有双亲特征的弹性中空泡沫，与现有的木棉纤维处理技术所得到的疏水性的产物相比，双亲性弹性泡沫在保持了原有的亲油性能的基础上具有很好的亲水性能，对多种油、有机溶剂和水溶液中染料有显著的吸附效果，且木棉纤维基弹性泡沫的宏观整体结构且可重复利用率高，这使得木棉纤维弹性泡沫在海上废油和污水处理上有很好的应用。

4、木棉泡沫的形状可调，加入的木棉纤维的量和聚四氟乙烯反应釜内衬的形状可直接决定弹性泡沫的大小和形状。

附图说明

图1是本发明实施例5中木棉纤维基弹性泡沫的扫描电镜照片(sem)。

其中左上为500倍率下的反应后的木棉纤维扫描电镜图，左下为3000倍率下的反应后的木棉纤维扫描电镜图，右上为13000倍率下的反应后的木棉纤维扫描电镜图，右下为80000倍率下的反应后的木棉纤维电镜图。

图2是本发明实施例5中木棉纤维基弹性泡沫的xrd谱图；其中上图为反应前木棉纤维的xrd谱图，下图为反应后的木棉纤维的xrd谱图。

图3是本发明实施例9中木棉纤维基弹性泡沫对各种有机溶剂的吸附率。

图4是本发明实施例9中木棉纤维基弹性泡沫对食用油的吸油脱附率。

图5是本发明实施例10中木棉纤维基弹性泡沫吸附色素前后罗丹明b的紫外吸收光谱。

图6是本发明实施例10中木棉纤维基弹性泡沫吸附色素前后亚甲基蓝的紫外吸收光谱。

图7是本发明实施例10中木棉纤维基弹性泡沫吸附色素前后荧光素的紫外吸收光谱。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明。

实施例1

称取0.8g木棉纤维置于25ml聚四氟乙烯内衬的反应釜中，加入浓度为2.5％的戊二醛溶液浸泡12小时。然后在180℃恒温下反应24小时，反应产物先用去离子水再用无水乙醇浸泡、漂洗后，自然晾干，即得到直径为2cm高为2.5cm的圆柱形弹性泡沫。

实施例2

本实施例与实施例1不同之处在于：步骤中所述的反应温度为220℃。其他与实施例1相同。

实施例3

本实施例与实施例1不同之处在于：步骤中所述的戊二醛浓度为4％。其他与实施例1相同。

实施例4

本实施例与实施例1不同之处在于：步骤中所述的反应温度为200℃，戊二醛浓度为5％，其他与实施例1相同。

实施例5

本实施例与实施例1的不同之处在于：步骤中所述的反应时间为12小时，其他与实施例1相同。

实施例6

本实施例与实施例1的不同之处在于：步骤中所述的反应时间为18小时，其他与实施例1相同。

实施例7

称取0.8g木棉纤维置于20ml聚四氟乙烯内衬的反应釜中，加入浓度为5％的戊二醛溶液浸泡12小时。然后在200℃恒温下反应24小时，反应产物先用去离子水再用无水乙醇浸泡、漂洗后，自然晾干，即得到直径为1.4cm高为4.0cm的圆柱形弹性泡沫。

实施例8

称取10g木棉纤维置于200ml聚四氟乙烯内衬的反应釜中，加入浓度为5％的戊二醛溶液浸泡12小时。然后在200℃恒温下反应24小时，反应产物先用去离子水再用无水乙醇浸泡、漂洗后，自然晾干，即得到直径为4.0cm高为6.5cm的圆柱形弹性泡沫。

(应用)实施例9

取实施例3中木棉纤维基弹性泡沫，测量并记录其体积为vf。将其浸没在某一溶液中15分钟使其达到吸附平衡，取出悬空静置10秒除去材料表面沾附的多余的溶液，记录吸附溶液的体积为va。将吸饱溶液的木棉泡沫放于离心管中以1000r/s的转速离心10分钟，收集离心出来的溶液并记录其体积为vr。则木棉泡沫的吸附率cv＝va/vf，脱附率r＝vr/va*100％。以上溶液可为食用油和多种有机溶剂。

根据发明人的多次试验数据总结，木棉纤维基弹性泡沫对于食用油和各种有机溶剂具有很好的吸附性能。以正己烷和四氯化碳为例，木棉纤维基弹性泡沫对于正己烷、四氯化碳的吸附量可分别达到0.457ml/cm^-3、0.455ml/cm^-3。而经现有处理技术(n2保护下1000℃高温碳化)得到碳化木棉纤维的与之相比，对于正己烷和四氯化碳的吸附量分别只有0.256ml/cm^-3和0.183ml/cm^-3。可以看出，本发明得到的木棉纤维基弹性泡沫相对于同体积现有技术处理的材料而言对有机溶剂具有更好的吸附性能。

(应用)实施例10

木棉纤维基弹性泡沫吸附染料实验。

分别配制10mg/l的罗丹明b、亚甲基蓝、荧光素染料溶液，取实施例6中弹性泡沫置于染料中，静置一段时间后可明显观察到染料溶液变为澄清透明。

设置对比实验：取与弹性泡沫相同质量的原始木棉纤维加入到以上三种染料溶液中，放置24h后取出木棉纤维后发现染料溶液颜色同如起始溶液。对比实验说明，相对于未经处理的原始木棉纤维，本发明得到的木棉纤维基弹性泡沫对染料有很好的吸附作用。

(应用)实施例11

木棉纤维基弹性泡沫水油选择性吸附实验。

在带有刻度的1号离心管中加入10ml去离子水和2ml经染色的食用油，2号离心管中加入10ml去离子水和10ml经染色的食用油。将两团木棉纤维基弹性泡沫分别放入两个离心管中，静置一段时间后分别观察两个离心管界面情况，可以观察到1号离心管中的食用油完全被吸附且去离子水液面明显下降；2号离心管中的食用油液面下降而去离子水液面保持不变。

导致上述现象的原因是木棉纤维基弹性泡沫的双亲性能，使木棉纤维基弹性泡沫具备水油选择吸附性。即在油充足的情况下只吸油而不吸水，在油不足的情况下既吸水又吸油。在1号离心管中食用油不足的情况下，木棉纤维基弹性泡沫吸附食用油后还未达到饱和状态，故还可以再吸收去离子水。在2号离心管中，木棉纤维基弹性泡沫吸附足量的食用油之后达到饱和，所以无法再吸入更多的去离子水。

以原始木棉纤维重复以上实验，发现原始木棉纤维只吸油不吸水。这充分证明本发明中经水热碳化后的木棉纤维基弹性泡沫是双亲性的，且具有水油选择吸附性，即在油充足的情况下只吸油而不吸水，在油不足的情况下既吸水又吸油。

以上所述，仅是本发明的几种实施案例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例。但是凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施案例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案范围内。