一种耐磨损的超疏水滤纸的制备方法
【专利摘要】一种耐磨损的超疏水滤纸的制备方法，属于材料表面改性【技术领域】。所述方法步骤如下：一、滤纸用乙醇超声清洗；二、将滤纸浸泡于环氧树脂溶液中；三、将环氧化的滤纸浸泡于聚乙烯亚胺溶液中；四、将粘附一层聚乙烯亚胺聚合物的滤纸浸泡于分散有3-缩水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷改性后的亚微级二氧化硅水溶液中；五、重复操作步骤三到四；最后，将滤纸浸泡在硬脂酸疏水改性液中，干燥后得到了耐磨损的超疏水滤纸。本发明的方法工艺简单，经济成本低，周期短，能耗小，无需复杂的专用设备，易于实现大规模工业生产。
【专利说明】一种耐磨损的超疏水滤纸的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于材料表面改性【技术领域】，具体涉及一种耐磨损的超疏水滤纸的制备方法。
【背景技术】
[0002]最近几年，表面具有极端润湿性的一些材料逐渐引起了人们的重视，其中，超疏水表面因其对水的接触角大于150°、滚动角小于10° ,且具有自清洁的特性而引起了学术界和工业界极大的兴趣。在自然界中，许多植物的叶子和花瓣、昆虫的翅膀、以及鸟类的羽毛等均是天然的超疏水材料。从之如的研究中我们可以得知，材料表面的超疏水特性主要归因于表面粗糙的微/纳米粗糙结构以及表面的低表面能。在这一理论的基础上，许多方法通过在材料表面构造适当的粗糙结构并赋予其低表面能，从而制备出超疏水表面，例如:等离子刻蚀法、相分离法、层层自组装法、平版印刷法、化学气相沉淀法、溶液浸泡法以及溶胶-凝胶法。在这些方法中，溶液浸泡法由于其在材料表面构建微/纳结构的高效率以及简单易操作而广泛用于制备各超疏水材料表面。
[0003]纸是我们日常生活中不可或缺的一种物质。纸纤维由于其表面有大量的羟基，因而具有良好的亲水性。如果对纸的表面进行处理，从而赋予纸张表面良好的疏水性，类似于荷叶表面的不粘水性，则可以提高纸张的使用性能，进而扩大其使用范围。因此，我们可以将超疏水技术应用于纸张表面，使其具有超疏水特性和自清洁效应，从而可以用于印刷耐水书刊、长期保存的文件、军用地图等。
[0004]但是，超疏水纸张的实际应用还未能普及，最主要的一个原因就是超疏水纸张的耐磨损性差。当超疏水表面受到外界的摩擦时，表面微观的粗糙凸起结构受到承载压力和剪切应力，从而导致表面粗糙结构因应力集中而损坏，最终导致超疏水功能性失效。因此，开发出一种耐磨损的、持久性较好的、简单经济、环境友好的超疏水纸张是扩展超疏水纸在实际生活应用中的必经之路。
【发明内容】
[0005]本发明提供了一种耐磨损且具有自清洁作用的超疏水滤纸，同时提供了一种处理方法简单、成本低、安全环保的相关超疏水滤纸的制备方法。
[0006]本发明所述的超疏水滤纸的制备方法，它的步骤为:
[0007]步骤一、将裁剪好的滤纸用乙醇超声清洗3次，在25°C?60°C条件下干燥(0.5?5)h干燥,备用。
[0008]步骤二、将步骤一处理的滤纸浸泡于(0.5?1.0)g/L的环氧树脂的丙酮溶液中10?30)min,取出后室温下干燥(5?10)min ;使滤纸基纤维表面环氧化；
[0009]步骤三、将步骤二处理的滤纸浸泡于(2.0?5.0)g/L聚乙烯亚胺的水溶液中(10?30)min,取出后(30?60) °C下干燥(10?30)min ;通过环氧基与氨基的化学反应使滤纸基纤维表面粘附一层聚乙烯亚胺聚合物；[0010]步骤四、将(0.2?5.0) g环氧化二氧化硅超声分散于IOOmL去离子水中得到二氧化娃溶液，然后将步骤三处理后的滤纸置于二氧化娃溶液中浸泡(10?30)min,取出后(30?60) °C下干燥(10?30)min ;使得二氧化硅和聚乙烯亚胺发生反应，从而二氧化硅通过聚乙烯亚胺聚合物牢固地粘附在了滤纸基纤维表面，并在其表面形成了稳固的粗糙结构；
[0011]步骤五、重复步骤三到步骤四3?5次；
[0012]步骤六、将(I?2) g硬脂酸溶解于IOOmL正己烷中得到硬脂酸改性液，然后将步骤五处理后的滤纸浸泡于硬脂酸改性液中，(40?60) °C下保持(2?4) h，取出(50?80) °C干燥，干燥时间为(I?3)h，即制得了耐磨损的超疏水滤纸。
[0013]步骤四所述环氧化二氧化硅的制备方法如下:将20mL无水乙醇、2mL正硅酸乙酯以及ImL氨水混合，室温下磁力搅拌12h，再加入lmL3-缩水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷，室温下磁力搅拌12h，离心，用无水乙醇洗涤3次，置于80°C真空干燥箱中干燥2h，即得到环
氧化二氧化硅。
[0014]制备好的超疏水滤纸表面有一层致密的亚微级球状二氧化硅，二氧化硅通过聚合物聚乙烯亚胺牢固地粘附在滤纸基纤维表面，形成了稳固的粗糙结果，通过图6的扫描电镜可以观察到这一粗糙结构。
[0015]本发明的优点在于:
[0016]1、本发明制备的超疏水滤纸具有不粘水性。本方法制备的超疏水滤纸因其与水的接触角大于150° ,滚动角小于10° ,从而使其具有优异的超疏水性能和良好的自清洁性倉泛。
[0017]2、本发明采用的方法操作工艺简单，成本低、绿色环保、无需复杂的处理步骤，也无需昂贵的仪器设备，适用于大批量的超疏水滤纸的生产，具有重大的经济效益。
[0018]本发明采用的是溶液浸泡法，只需分别在聚乙烯亚胺溶液、环氧化的二氧化硅溶液浸泡多次，最后再在硬脂酸溶液中浸泡，即可制得耐磨损的超疏水滤纸；整个实验的药品试剂比较易得，成本低，制备周期也不超过48小时。
[0019]3、本发明所制备的超疏水滤纸耐磨损，具有持久超疏水性。
[0020]本发所用的滤纸为实验室所用的普通定性滤纸和定量滤纸，滤纸纤维表面有大量的活性羟基；当滤纸浸泡于环氧树脂中进行环氧化时，滤纸纤维表面的活性羟基与环氧树脂的环氧基发生反应，使滤纸纤维表面环氧化；聚乙烯亚胺由于其分子中含有氨基，当环氧化的滤纸浸泡于聚乙烯亚胺溶液中时，聚乙烯亚胺与环氧树脂发生化学反应，从而滤纸表面牢固地粘附了一层聚乙烯亚胺；之后再将其浸泡于分散有3-缩水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷环氧化后的亚微级球形二氧化硅中，二氧化硅通过其表面的环氧基团与处理过的滤纸表面的氨基基团发生化学反应，粘附在了滤纸表面上，滤纸表面便形成了稳定的粗糙结构。之后，再将滤纸重复浸泡聚乙烯亚胺溶液和环氧化的二氧化硅溶液3?5次，加固这种粗糙结构。这种稳定的亚微级粗糙结构便是本发明所制备的超疏水滤纸耐磨损的、且具有持久超疏水性的原因。
[0021]按照美国材料与试验协会标准ASTM D968-05 (落沙磨蚀法测定有机涂层耐磨性的试验)进行耐磨损性能测试，结果表面，涂层经100克石英砂从高度10厘米、内径为20毫米导管落下对超疏水滤纸上的超疏水涂层进行磨损试验后，涂层与水的接触角仍能保持在150°以上。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1为当水滴(用亚甲基蓝染色)滴在未处理的滤纸的状态图；图2是当水滴(用亚甲基蓝染色)滴在经【具体实施方式】一所制备的滤纸的状态图；图3为【具体实施方式】一方法制备的滤纸按照ASTM D968-05测试方法测试后的滤纸，水滴滴在其上面的状态图；
[0023]图4为原始滤纸的低倍扫描电镜图；图5为原始滤纸的高倍扫描电镜图；图6为【具体实施方式】一方法制备的超疏水滤纸的低倍扫描电镜图；图7为【具体实施方式】一方法制备的超疏水滤纸的高倍扫描电镜图。
【具体实施方式】
[0024]【具体实施方式】一:本实施方式中耐磨损的超疏水滤纸的制备方法是按下述步骤进行的:
[0025]步骤一、将滤纸分别用去离子水、乙醇、去离子水超声清洗3次，在25°C条件下干燥0.5h，备用；
[0026]步骤二、将步骤一处理的滤纸浸泡于0.54g/L环氧树脂的丙酮溶液中15min，取出后室温下干燥15min ；
[0027]步骤三、将步骤二处理的滤纸浸泡于2.0g/L聚乙烯亚胺的水溶液中15min,取出后25°C下干燥15min ；
[0028]步骤四、将5.0g/环氧化的二氧化硅超声分散于IOOmL去离子水中得到二氧化娃溶液，然后将步骤三处理后的滤纸置于二氧化娃溶液中浸泡15min,取出后25°C下干燥15min ；
[0029]步骤五、重复步骤三到步骤四3次；
[0030]步骤六、将2g硬脂酸溶解于IOOmL正己烷中得到硬脂酸改性液，然后将步骤五处理后的滤纸浸泡于硬脂酸改性液中，在60°C温度下保持2h，取出50°C干燥2h，即制得耐磨损超疏水滤纸。
[0031]步骤四所述环氧化二氧化硅的制备方法如下:将20mL无水乙醇、2mL正硅酸乙酯以及ImL氨水混合，室温下磁力搅拌12h，再加入lmL3-缩水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷，室温下磁力搅拌12h，离心，用无水乙醇洗涤3次，置于80°C真空干燥箱中干燥2h，即得到环
氧化二氧化硅。
[0032]当水滴滴在未按本实施方式处理的滤纸表面时，水滴铺开(见图1)，说明此滤纸是亲水的，水能润湿未处理的滤纸；但是，当滤纸经过本方法处理后，亲水的滤纸变成了超疏水，当水滴滴在其表面，水滴成球状(见图2)，不能润湿滤纸。
[0033]由图3说明，当经本方法制备的超疏水滤纸经过按照ASTM D968-05测试方法测试后，水滴滴在滤纸表面时，仍然成球状，结合表1，仍是超疏水状态，说明经过本方法制备的超疏水滤纸耐磨损。
[0034]图4和5分别为原始滤纸的低倍和高倍扫描电镜图；由电镜图我们可以看出，滤纸纤维表面没有达到构建超疏水表面的理论要求之一:有粗糙的微纳二级结构。由图6和7可以看出，经本方法制备的滤纸，其滤纸纤维表面已经满足制备超疏水表面的微纳二级粗糙结构了。
[0035]【具体实施方式】二:本实施方式中耐磨损的超疏水滤纸的制备方法是按下述步骤进行的:
[0036]步骤一、将滤纸分别用去离子水、乙醇、去离子水超声清洗3次，在25°C条件下干燥0.5h ;步骤一干燥温度,干燥时间为，备用；
[0037]步骤二、将步骤一处理的滤纸浸泡于1.0g/L环氧树脂的丙酮溶液中15min，取出后室温下干燥15min ；
[0038]步骤三、将步骤二处理的滤纸浸泡于5.0g/L聚乙烯亚胺的水溶液中15min,取出后25°C下干燥15min ；
[0039]步骤四、将4.0g环氧化的二氧化硅超声分散于IOOmL去离子水中得到二氧化硅溶液，然后将步骤三处理后的滤纸置于二氧化娃溶液中浸泡15min,取出后25°C下干燥15min ；
[0040]步骤五、重复步骤三到步骤四3次；
[0041]步骤六、将Ig硬脂酸溶解于IOOmL正己烷中得到硬脂酸改性液，然后将步骤五处理后的滤纸浸泡于硬脂酸改性液中，在60°C温度下保持2h，取出50°C干燥2h，即制得耐磨损超疏水滤纸。
[0042]本实施方式所述环氧化的二氧化硅的制备方法与【具体实施方式】一相同。
[0043]【具体实施方式】三:本实施方式中耐磨损的超疏水滤纸的制备方法是按下述步骤进行的:
[0044]步骤一、将滤纸分别用去离子水、乙醇、去离子水超声清洗3次，在25°C条件下干燥0.5h ;步骤一干燥温度,干燥时间为，备用；
[0045]步骤二、将步骤一处理的滤纸浸泡于2.0g/L环氧树脂的丙酮溶液中15min，取出后室温下干燥15min ；
[0046]步骤三、将步骤二处理的滤纸浸泡于3.0g/L聚乙烯亚胺的水溶液中15min,取出后25°C下干燥15min ；
[0047]步骤四、将3.0g环氧化的二氧化硅超声分散于IOOmL去离子水中得到二氧化硅溶液，然后将步骤三处理后的滤纸置于二氧化娃溶液中浸泡15min,取出后25°C下干燥15min ；
[0048]步骤五、重复步骤三到步骤四3次；
[0049]步骤六、将2g硬脂酸溶解于IOOmL正己烷中得到硬脂酸改性液，然后将步骤五处理后的滤纸浸泡于硬脂酸改性液中，在60°C温度下保持2h，取出50°C干燥2h，即制得耐磨损超疏水滤纸。
[0050]本实施方式所述环氧化的二氧化硅的制备方法与【具体实施方式】一相同。
[0051]【具体实施方式】四:本实施方式中耐磨损的超疏水滤纸的制备方法是按下述步骤进行的:
[0052]步骤一、将滤纸分别用去离子水、乙醇、去离子水超声清洗3次，在25°C条件下干燥0.5h ;步骤一干燥温度,干燥时间为，备用；
[0053]步骤二、将步骤一处理的滤纸浸泡于1.5g/L环氧树脂的丙酮溶液中15min，取出后室温下干燥15min ；[0054]步骤三、将步骤二处理的滤纸浸泡于4.5g/L聚乙烯亚胺的水溶液中15min,取出后25°C下干燥15min ；
[0055]步骤四、将4.5g环氧化的二氧化硅超声分散于IOOmL去离子水中得到二氧化硅溶液，然后将步骤三处理后的滤纸置于二氧化娃溶液中浸泡15min,取出后25°C下干燥15min ；
[0056]步骤五、重复步骤三到步骤四3次；
[0057]步骤六、将1.5g硬脂酸溶解于IOOmL正己烷中得到硬脂酸改性液，然后将步骤五处理后的滤纸浸泡于硬脂酸改性液中，在60°C温度下保持2h，取出50°C干燥2h，即制得耐磨损超疏水滤纸。
[0058]本实施方式所述环氧化的二氧化硅的制备方法与【具体实施方式】一相同。
[0059]【具体实施方式】五:本实施方式中耐磨损的超疏水滤纸的制备方法是按下述步骤进行的:
[0060]步骤一、将滤纸分别用去离子水、乙醇、去离子水超声清洗3次，在25°C条件下干燥0.5h ;步骤一干燥温度,干燥时间为，备用；
[0061]步骤二、将步骤一处理的滤纸浸泡于1.5g/L环氧树脂的丙酮溶液中15min，取出后室温下干燥15min ；
[0062]步骤三、将步骤二处理的滤纸浸泡于3.5g/L聚乙烯亚胺的水溶液中15min,取出后25°C下干燥15min ；
[0063]步骤四、将3.5g环氧化的二氧化硅超声分散于IOOmL去离子水中得到二氧化硅溶液，然后将步骤三处理后的滤纸置于二氧化娃溶液中浸泡15min,取出后25°C下干燥15min ；
[0064]步骤五、重复步骤三到步骤四3次；
[0065]步骤六、将1.5g硬脂酸溶解于IOOmL正己烷中得到硬脂酸改性液，然后将步骤五处理后的滤纸浸泡于硬脂酸改性液中，在60°C温度下保持2h，取出50°C干燥2h，即制得耐磨损超疏水滤纸。
[0066]本实施方式所述环氧化的二氧化硅的制备方法与【具体实施方式】一相同。
[0067]【具体实施方式】六:本实施方式中耐磨损的超疏水滤纸的制备方法是按下述步骤进行的:
[0068]步骤一、将滤纸分别用去离子水、乙醇、去离子水超声清洗3次，在25°C条件下干燥0.5h ;步骤一干燥温度,干燥时间为，备用；
[0069]步骤二、将步骤一处理的滤纸浸泡于1.5g/L环氧树脂的丙酮溶液中15min，取出后室温下干燥15min ；
[0070]步骤三、将步骤二处理的滤纸浸泡于3g/L聚乙烯亚胺的水溶液中15min，取出后25°C 下干燥 15min ；
[0071]步骤四、将2.5g环氧化的二氧化硅超声分散于IOOmL去离子水中得到二氧化硅溶液，然后将步骤三处理后的滤纸置于二氧化娃溶液中浸泡15min,取出后25°C下干燥15min ；
[0072]步骤五、重复步骤三到步骤四5次；
[0073]步骤六、将2.0g硬脂酸溶解于IOOmL正己烷中得到硬脂酸改性液，然后将步骤五处理后的滤纸浸泡于硬脂酸改性液中，在60°C温度下保持2h，取出50°C干燥2h，即制得耐磨损超疏水滤纸。
[0074]本实施方式所述环氧化的二氧化硅的制备方法与【具体实施方式】一相同。
[0075]【具体实施方式】七:本实施方式中耐磨损的超疏水滤纸的制备方法是按下述步骤进行的:
[0076]步骤一、将滤纸分别用去离子水、乙醇、去离子水超声清洗3次，在25°C条件下干燥0.5h ;步骤一干燥温度,干燥时间为，备用；
[0077]步骤二、将步骤一处理的滤纸浸泡于2.0g/L环氧树脂的丙酮溶液中15min，取出后室温下干燥15min ；
[0078]步骤三、将步骤二处理的滤纸浸泡于4g/L聚乙烯亚胺的水溶液中15min，取出后25°C 下干燥 15min ；
[0079]步骤四、将4g环氧化的二氧化硅超声分散于IOOmL去离子水中得到二氧化硅溶液，然后将步骤三处理后的滤纸置于二氧化娃溶液中浸泡15min,取出后25°C下干燥15min ；
[0080]步骤五、重复步骤三到步骤四5次；
[0081]步骤六、将1.5g硬脂酸溶解于IOOmL正己烷中得到硬脂酸改性液，然后将步骤五处理后的滤纸浸泡于硬脂酸改性液中，在60°C温度下保持2h，取出50°C干燥2h，即制得耐磨损超疏水滤纸。
[0082]本实施方式所述环氧化的二氧化硅的制备方法与【具体实施方式】一相同。
[0083]【具体实施方式】八:本实施方式中耐磨损的超疏水滤纸的制备方法是按下述步骤进行的:
[0084]步骤一、将滤纸分别用去离子水、乙醇、去离子水超声清洗3次，在25°C条件下干燥0.5h ;步骤一干燥温度,干燥时间为，备用；
[0085]步骤二、将步骤一处理的滤纸浸泡于2.0g/L环氧树脂的丙酮溶液中15min，取出后室温下干燥15min ；
[0086]步骤三、将步骤二处理的滤纸浸泡于5g/L聚乙烯亚胺的水溶液中15min，取出后25°C 下干燥 15min ；
[0087]步骤四、将3g环氧化的二氧化硅超声分散于IOOmL去离子水中得到二氧化硅溶液，然后将步骤三处理后的滤纸置于二氧化娃溶液中浸泡15min,取出后25°C下干燥15min ；
[0088]步骤五、重复步骤三到步骤四5次；
[0089]步骤六、将Ig硬脂酸溶解于IOOmL正己烷中得到硬脂酸改性液，然后将步骤五处理后的滤纸浸泡于硬脂酸改性液中，在60°C温度下保持2h，取出50°C干燥2h，即制得耐磨损超疏水滤纸。
[0090]本实施方式所述环氧化的二氧化硅的制备方法与【具体实施方式】一相同。
[0091]【具体实施方式】一至八产品的疏水效果与按照ASTM D968-05测试方法测试的效果如表I
[0092]表I
[0093]
【权利要求】
1.一种耐磨损的超疏水滤纸的制备方法，其特征在于制备方法步骤如下: 步骤一、将滤纸用乙醇超声清洗3次，在25°C?60°C条件下干燥(0.5?5)h干燥，备用； 步骤二、将步骤一处理的滤纸浸泡于的环氧树脂的丙酮溶液中(10?30)min，取出后室温下干燥(5?10)min ； 步骤三、将步骤二处理的滤纸浸泡于聚乙烯亚胺的水溶液中(10?30)min，取出后(30 ?60) °C下干燥(10 ?30)min ； 步骤四、将环氧化的二氧化硅超声分散于去离子水中得到二氧化硅溶液，然后将步骤三处理后的滤纸置于二氧化硅溶液中浸泡(10?30)min，取出后(30?60) °C下干燥(10?30)min ； 步骤五、重复步骤三到步骤四3?5次； 步骤六、将硬脂酸溶解于正己烷中得到硬脂酸改性液，然后将步骤五处理后的滤纸浸泡于硬脂酸改性液中，(40?60) °C下保持(2?4)h，取出(50?80) °C干燥，干燥时间为(I?3)h，即制得了耐磨损的超疏水滤纸。
2.根据权利要求1所述的耐磨损的超疏水滤纸的制备方法，其特征在于步骤四所述环氧化的二氧化硅的制备方法如下:将20mL无水乙醇、2mL正硅酸乙酯以及ImL氨水混合，室温下磁力搅拌12h，再加入lmL3-缩水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷，室温下磁力搅拌12h，离心，用无水乙醇洗涤3次，置于80°C真空干燥箱中干燥2h，即得到环氧化二氧化硅。
3.根据权利要求1所述的耐磨损的超疏水滤纸的制备方法，其特征在于步骤一所述环氧树脂的丙酮溶液的浓度为0.5g/L?1.0g/L。
4.根据权利要求1所述的耐磨损的超疏水滤纸的制备方法，其特征在于步骤三所述的聚乙烯亚胺的水溶液浓度为2.0g/L?5.0g/L。
5.根据权利要求1所述的耐磨损的超疏水滤纸的制备方法，其特征在于步骤四中每IOOmL去离子水超声分散0.2g?5.0g环氧化的二氧化硅。
6.根据权利要求1所述的耐磨损的超疏水滤纸的制备方法，其特征在于步骤六中每IOOmL正己烧溶解Ig?2g硬脂酸。
【文档编号】D21H27/28GK103952945SQ201410205914
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2014年5月15日 优先权日:2014年5月15日
【发明者】王成毓, 刘峰 申请人:东北林业大学