专利名称：一种超疏水二氧化硅纤维的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种二氧化硅纤维的制备方法。
背景技术：
由于超疏水膜的表面独立特性，在国防、日常生活和众多工业领域有着广泛的应用前景，所以其研究备受关注。固体表面的浸润性是材料的基本特性之一，主要由材料表面的化学成分和微观几何结构共同决定。一般情况下，超疏水表面可以通过两种方法来制备在疏水性表面构建粗糙结构或者在粗糙表面修饰低表面能物质。由于每种材料的表面能是一定的，所以，控制固体表面的粗糙结构显得更为重要。实验表明固体表面的微米结构、纳米结构，尤其是微米和纳米相结合的结构能更好地提高固体表面的超疏水性能，特别是微米结构的直径在10微米以上的。现在制备二氧化硅的方法主要是高温拉丝的方法，这种方法制备的二氧化硅纤维表面光滑，不具备制备超疏水材料的结构基础；而静电纺丝法 制备的二氧化硅微球纤维虽然具有疏水性质，但制备的二氧化硅微球纤维的直径在5微米以下，因此疏水效果不好。
发明内容
本发明是要解决现有方法制备的二氧化硅纤维的直径小，而导致疏水性能差的问题，提供一种超疏水二氧化硅纤维的制备方法。本发明一种超疏水二氧化硅纤维的制备方法，按以下步骤进行一、在搅拌速度为200 300rpm的条件下，将17 19mL的质量百分含量为2%的氨水和79 81mL无水乙醇混合均勻，加热至60°C后，再加入2. I 2. 3mL的正娃酸四乙酯，保持上述温度和转速不变继续反应24h，即得到二氧化硅种子乳液；二、在搅拌速度为150 200rpm的条件下，将155 165mL的无水乙醇和14 16mL浓氨水加入到三口瓶中搅拌混合均匀，然后在水浴温度为25°C，搅拌速度为150 200rpm的条件下滴加I. 9 2. ImL 二氧化娃种子乳液,保持150 200rpm的速度继续搅拌15 20min，以速度为O. lmL/min向三口瓶内滴加A溶液440 460mL，同时以速度为
O.05mL/min向三口瓶内滴加B溶液220 230mL，即得到含有粒径为245 255nm 二氧化娃微球的乳液；三、将步骤二得到的二氧化硅微球的乳液在转速为8000rpm的条件下离心5min，收集固相物，然后在转速为SOOOrpm的条件下用去离子水离心洗涤收集的固相物5次，收集固相物，加入50mL去离子水，然后在频率为99MHz的条件下用超声波仪超声15 20min，得到二氧化硅乳液；四、称取O. 8824 O. 9524g聚乙烯醇加入4mL去离子水中，放到干燥箱中，60°C恒温处理2 3h，然后将温度升至90°C后恒温处理4 6h，得到聚乙烯醇溶液；五、按照聚乙烯醇和二氧化硅质量比为2 I的比例，将步骤四的聚乙烯醇溶液和步骤三的二氧化硅乳液混合，然后用加热式磁力搅拌器加热至90°C保持4 5h，其中搅拌速度为200 300rpm，得到二氧化硅/聚乙烯醇纺丝液；六、按照去离子水和无水硫酸钠质量比为(4. 5 5) I配制纺丝液凝固浴，将纺丝液凝固浴加热至45°C，将步骤五中得到的二氧化硅/聚乙烯醇纺丝液放在机械混匀器上震荡2 3min，倒入到注射器中，将注射器75°C恒温加热，连接湿法纺丝装置，调节注射速度为I 2mL/h，丝的缠绕速度为I 2m/min，进行纺丝，即得到二氧化硅微球纤维；七、将步骤六中得到的二氧化硅微球纤维二维编织于单晶硅片上，然后放入马弗炉中，升温至500°c恒温3h，然后继续升温至800°C恒温O. 5h，停止加热自然冷却；八、将步骤七中冷却的单晶硅片浸入体积百分含量为I %氟硅烷乙醇溶液，升温至150°C后恒温保存3h，取出晾干，即得到超疏水二氧化硅纤维；其中步骤二中浓氨 水为质量百分含量为25 28%的氨水，A溶液是由正硅酸四乙酯和乙醇按体积比为I : 2的比例混合而成，B溶液是由质量百分含量为25 28%的氨水、去离子水和无水乙醇按体积比为2:3: 7的比例混合而成。本发明制备的超疏水二氧化硅纤维是一种表面具有纳米结构且其直径在十几微米至几百微米之间的纤维，具有微米和纳米相结合的结构，因此本发明制备的超疏水二氧化硅纤维具有超疏水性能，这种纤维在许多防水器件上有着巨大的应用前景。
图I是试验I步骤二中得到的二氧化硅微球的扫描电镜图；图2是试验I中得到的二氧化硅微球纤维的扫描电镜图；图3是试验I中得到的超疏水二氧化硅纤维的扫描电镜图；图4是水滴在试验I中得到的超疏水二氧化硅纤维表面的接触角图。
具体实施例方式具体实施方式
一本实施方式一种超疏水二氧化硅纤维的制备方法，按以下步骤进行一、在搅拌速度为200 300rpm的条件下，将17 19mL的质量百分含量为2%的氨水和79 81mL无水乙醇混合均勻,加热至60°C后,再加入2. I 2. 3mL的正娃酸四乙酯，保持上述温度和转速不变继续反应24h，即得到二氧化硅种子乳液；二、在搅拌速度为150 200rpm的条件下，将155 165mL的无水乙醇和14 16mL浓氨水加入到三口瓶中搅拌混合均匀，然后在水浴温度为25°C，搅拌速度为150 200rpm的条件下滴加I. 9 2. ImL 二氧化娃种子乳液,保持150 200rpm的速度继续搅拌15 20min，以速度为O. lmL/min向三口瓶内滴加A溶液440 460mL，同时以速度为O. 05mL/min向三口瓶内滴加B溶液220 230mL，即得到含有粒径为245 255nm 二氧化娃微球的乳液；三、将步骤二得到的二氧化硅微球的乳液在转速为8000rpm的条件下离心5min，收集固相物，然后在转速为SOOOrpm的条件下用去离子水离心洗涤收集的固相物5次，收集固相物，加入50mL去离子水，然后在频率为99MHz的条件下用超声波仪超声15 20min，得到二氧化硅乳液；四、称取O. 8824 O. 9524g聚乙烯醇加入4mL去离子水中，放到干燥箱中，60°C恒温处理2 3h，然后将温度升至90°C后恒温处理4 6h，得到聚乙烯醇溶液；
五、按照聚乙烯醇和二氧化硅质量比为2 I的比例，将步骤四的聚乙烯醇溶液和步骤三的二氧化硅乳液混合，然后用加热式磁力搅拌器加热至90°C保持4 5h，其中搅拌速度为200 300rpm，得到二氧化硅/聚乙烯醇纺丝液；六、按照去离子水和无水硫酸钠质量比为(4. 5 5) I配制纺丝液凝固浴，将纺丝液凝固浴加热至45°C，将步骤五中得到的二氧化硅/聚乙烯醇纺丝液放在机械混匀器上震荡2 3min，倒入到注射器中，将注射器75°C恒温加热，连接湿法纺丝装置，调节注射速度为I 2mL/h，丝的缠绕速度为I 2m/min，进行纺丝，即得到二氧化硅微球纤维；七、将步骤六中得到的二氧化硅微球纤维二维编织于单晶硅片上，然后放入马弗炉中，升温至500°C恒温3h，然后继续升温至800°C恒温O. 5h，停止加热自然冷却；八、将步骤七中冷却的单晶硅片浸入体积百分含量为I %氟硅烷乙醇溶液，升温至150°C后恒温保存3h，取出晾干，即得到超疏水二氧化硅纤维；其中步骤二中浓氨水为质量 百分含量为25 28%的氨水，A溶液是由正硅酸四乙酯和乙醇按体积比为I : 2的比例混合而成，B溶液是由质量百分含量为25 28%的氨水、去离子水和无水乙醇按体积比为2:3: 7的比例混合而成。本实施方式制备的超疏水二氧化硅纤维是一种表面具有纳米结构且其直径在十几微米至几百微米之间的纤维，具有微米和纳米相结合的结构，因此本发明制备的超疏水二氧化硅纤维具有超疏水性能，这种纤维在许多防水器件上有着巨大的应用前景。
具体实施方式
二 本实施方式与具体实施方式
一不同的是步骤一中将18mL的质量百分含量为2%的氨水和80mL无水乙醇混合均勻。其它与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
三本实施方式与具体实施方式
一或二不同的是步骤一中加入2. 2mL的正硅酸四乙酯。其它与具体实施方式
一或二相同。
具体实施方式
四本实施方式与具体实施方式
一至三之一不同的是步骤二中滴加2mL 二氧化娃种子乳液。其它与具体实施方式
一至三之一相同。
具体实施方式
五本实施方式与具体实施方式
一至四之一不同的是步骤二中向三口瓶内滴加A溶液450mL。其它与具体实施方式
一至四之一相同。
具体实施方式
六本实施方式与具体实施方式
一至五之一不同的是步骤二中向三口瓶内滴加B溶液225mL。其它与具体实施方式
一至四之一相同。
具体实施方式
七本实施方式与具体实施方式
一至六之一不同的是步骤二中得到粒径255nm 二氧化硅微球的乳液。其它与具体实施方式
一至四之一相同。
具体实施方式
八本实施方式与具体实施方式
一至七之一不同的是步骤三中用超声波仪超声15min。其它与具体实施方式
一至四之一相同。
具体实施方式
九本实施方式与具体实施方式
一至八之一不同的是步骤四中60°C恒温处理3h。其它与具体实施方式
一至八之一相同。
具体实施方式
十本实施方式与具体实施方式
一至八之一不同的是步骤六中按照去离子水和无水硫酸钠质量比为4. 7 I配制纺丝液凝固浴。其它与具体实施方式
一至八之一相同。通过以下试验验证本发明的有益效果试验I:: 一种超疏水二氧化硅纤维的制备方法，按以下步骤进行一、在搅拌速度为200rpm的条件下，将18mL的质量百分含量为2%的氨水和80mL无水乙醇混合均匀，加热至60°C后，再加入2. 2mL的正硅酸四乙酯，保持上述温度和转速不变继续反应24h，即得到二氧化硅种子乳液；二、在搅拌速度为170rpm的条件下,将160mL的无水乙醇和15mL浓氨水加入到三口瓶中搅拌混合均匀，然后在水浴温度为25°C，搅拌速度为170rpm的条件下滴加2mL 二氧化硅种子乳液，同样速度搅拌15min，以速度为O. lmL/min向三口瓶内滴加A溶液450mL，同时以速度为O. 05mL/min向三口瓶内滴加B溶液225mL，既得到含有粒径为255nm 二氧化硅微球的乳液； 三、将步骤二中得到的二氧化硅微球乳液在转速为8000rpm的条件下离心5min，收集固相物，然后在转速为SOOOrpm的条件下用去离子水离心洗涤收集的固相物5次，收集固相物，加入50mL去离子水，然后在频率为99MHz的条件下用超声波仪超声15 20min，得到二氧化硅乳液；四、称取O. 8824 O. 9524g聚乙烯醇加入4mL去离子水中，放到干燥箱中，60°C恒温处理3h，然后将温度升至90°C后恒温处理6h，得到聚乙烯醇溶液；五、按照聚乙烯醇和二氧化硅质量比为2 I的比例，将步骤四的聚乙烯醇溶液和步骤三的二氧化硅乳液混合，然后用加热式磁力搅拌器加热至90°C保持4h，其中搅拌速度为250rpm,得到纺丝液；六、按照去离子水和无水硫酸钠质量比为4. 7 I配制纺丝液凝固浴，将纺丝液凝固浴加热至45°C，纺丝液放在机械混匀器上震荡2min，倒入到注射器中，将注射器75°C恒温加热，连接湿法纺丝装置，调节注射速度为I 2mL/h，丝的缠绕速度为I 2m/min，进行纺丝，即得到二氧化硅微球纤维；七、将步骤六中得到的二氧化硅微球纤维二维编织于单晶硅片上，然后放入马弗炉中，升温至500°C恒温3h，然后继续升温至800°C恒温O. 5h，停止加热自然冷却；八、将步骤七中冷却的单晶硅片浸入体积百分含量为I %氟硅烷乙醇溶液，升温至150°C后恒温保存3h，取出晾干，即得到超疏水二氧化硅纤维；其中步骤二中浓氨水为质量百分含量为25 28%的氨水，A溶液是由正硅酸四乙酯和乙醇按体积比为I : 2的比例混合而成，B溶液是由质量百分含量为25 28%的氨水、去离子水和无水乙醇按体积比为2:3: 7的比例混合而成。对步骤二中得到的二氧化硅微球进行电镜扫描，结果如图I所示，由图I可知二氧化硅微球的直径为255nm ;对步骤五中得到的二氧化硅微球纤维进行电镜扫描，结果如图2所示，由图2可知二氧化硅微球纤维的直径为15 μ m。由图I和图2可知试验I得到的超疏水二氧化硅纤维具有微米和纳米相结合的结构。对试验I中得到的超疏水二氧化硅纤维进行电镜扫描，结果如图3所示，由图3可知试验I中得到的超疏水二氧化硅纤维的表面具有粗糙结构；图4是水滴在试验I中得到的超疏水二氧化硅纤维表面的接触角图，由图4可知，水滴在试验I中得到的超疏水二氧化硅纤维表面的接触角为152°，因此本试验得到的超疏水二氧化硅纤维具有超疏水性能。
权利要求
1.ー种超疏水ニ氧化硅纤维的制备方法，其特征在于超疏水ニ氧化硅纤维的制备方法是按以下步骤进行 一、在搅拌速度为200 300rpm的条件下，将17 19mL的质量百分含量为2%的氨水和79 81mL无水こ醇混合均勻，加热至60°C后，再加入2. I 2. 3mL的正娃酸四こ酯,保持上述温度和转速不变继续反应24h，即得到ニ氧化硅种子乳液； ニ、在搅拌速度为150 200rpm的条件下，将155 165mL的无水こ醇和14 16mL浓氨水加入到三ロ瓶中搅拌混合均匀，然后在水浴温度为25°C，搅拌速度为150 200rpm的条件下滴加I. 9 2. ImL ニ氧化娃种子乳液,保持150 200rpm的速度继续搅拌15 20min,以速度为O. lmL/min向三ロ瓶内滴加A溶液440 460mL，同时以速度为O. 05mL/min向三ロ瓶内滴加B溶液220 230mL，即得到含有粒径为245 255nm ニ氧化硅微球的乳液； 三、将步骤ニ得到的ニ氧化娃微球的乳液在转速为8000rpm的条件下离心5min,收集固相物，然后在转速为SOOOrpm的条件下用去离子水离心洗涤收集的固相物5次，收集固相物，加入50mL去离子水，然后在频率为99MHz的条件下用超声波仪超声15 20min，得到ニ氧化硅乳液； 四、称取O.8824 O. 9524g聚こ烯醇加入4mL去离子水中，放到干燥箱中，60°C恒温处理2 3h，然后将温度升至90°C后恒温处理4 6h，得到聚こ烯醇溶液； 五、按照聚こ烯醇和ニ氧化硅质量比为2 I的比例，将步骤四的聚こ烯醇溶液和步骤三的ニ氧化硅乳液混合，然后用加热式磁力搅拌器加热至90°C保持4 5h，其中搅拌速度为200 300rpm，得到ニ氧化硅/聚こ烯醇纺丝液； 六、按照去离子水和无水硫酸钠质量比为(4.5 5) I配制纺丝液凝固浴，将纺丝液凝固浴加热至45°C，将步骤五中得到的ニ氧化硅/聚こ烯醇纺丝液放在机械混匀器上震荡2 3min，倒入到注射器中，将注射器75°C恒温加热，连接湿法纺丝装置，调节注射速度为I 2mL/h，丝的缠绕速度为I 2m/min，进行纺丝，即得到ニ氧化硅微球纤维； 七、将步骤六中得到的ニ氧化硅微球纤维ニ维编织于单晶硅片上，然后放入马弗炉中，升温至500°C恒温3h，然后继续升温至800°C恒温O. 5h，停止加热自然冷却； ノV、将步骤七中冷却的单晶硅片浸入体积百分含量为I %氟硅烷こ醇溶液，升温至150°C后恒温保存3h，取出晾干，即得到超疏水ニ氧化硅纤维；其中步骤ニ中浓氨水为质量百分含量为25 28%的氨水，A溶液是由正硅酸四こ酯和こ醇按体积比为I : 2的比例混合而成，B溶液是由质量百分含量为25 28%的氨水、去离子水和无水こ醇按体积比为2:3: 7的比例混合而成。
2.根据权利要求Iー种超疏水ニ氧化硅纤维的制备方法，其特征在于步骤一中将ISmL的质量百分含量为2%的氨水和80mL无水こ醇混合均匀。
3.根据权利要求I或2—种超疏水ニ氧化硅纤维的制备方法，其特征在于步骤一中加入2. 2mL的正硅酸四こ酷。
4.根据权利要求3—种超疏水ニ氧化硅纤维的制备方法，其特征在于步骤ニ中滴加2mL ニ氧化硅种子乳液。
5.根据权利要求4ー种超疏水ニ氧化硅纤维的制备方法，其特征在于步骤ニ中向三ロ瓶内滴加A溶液450mL。
6.根据权利要求5—种超疏水ニ氧化硅纤维的制备方法，其特征在于步骤ニ中向三ロ瓶内滴加B溶液225mL。
7.根据权利要求6—种超疏水ニ氧化硅纤维的制备方法，其特征在于步骤ニ中得到粒径255nm ニ氧化娃微球的乳液。
8.根据权利要求7—种超疏水ニ氧化硅纤维的制备方法，其特征在于步骤三中用超声波仪超声15min。
9.根据权利要求8—种超疏水ニ氧化硅纤维的制备方法，其特征在于步骤四中60°C恒温处理3h。
10.根据权利要求9ー种超疏水ニ氧化硅纤维的制备方法，其特征在于步骤六中按照去离子水和无水硫酸钠质量比为4. 7 I配制纺丝液凝固浴。
全文摘要
一种超疏水二氧化硅纤维的制备方法，涉及一种二氧化硅纤维的制备方法。本发明是要解决现有方法制备的二氧化硅纤维的直径小，而导致疏水性能差的问题。方法一、制备二氧化硅种子乳液；二、制备二氧化硅微球的乳液；三、制备二氧化硅乳液；四、制备聚乙烯醇溶液；五、制备纺丝液；六、利用湿法纺丝法进行纺丝，得到二氧化硅微球纤维；七、将二氧化硅微球纤维二维编织于单晶硅片上，放入马弗炉中进行处理，然后冷却；八、将冷却的单晶硅片浸入氟硅烷乙醇溶液进行处理即得到超疏水二氧化硅纤维。本发明制备的超疏水二氧化硅纤维具有微米和纳米相结合的结构，因此具有超疏水性能，本发明在许多防水器件上有着巨大的应用前景。
文档编号B82Y40/00GK102838122SQ20121034429
公开日2012年12月26日 申请日期2012年9月18日 优先权日2012年9月18日
发明者孙立国, 常金辉, 赵冬梅, 季大千, 汪成 申请人:黑龙江大学