專利名稱：一種超疏水二氧化硅纖維的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種二氧化硅纖維的制備方法。
背景技術(shù)：
由于超疏水膜的表面獨立特性，在國防、日常生活和眾多工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，所以其研究備受關(guān)注。固體表面的浸潤性是材料的基本特性之一，主要由材料表面的化學成分和微觀幾何結(jié)構(gòu)共同決定。一般情況下，超疏水表面可以通過兩種方法來制備在疏水性表面構(gòu)建粗糙結(jié)構(gòu)或者在粗糙表面修飾低表面能物質(zhì)。由于每種材料的表面能是一定的，所以，控制固體表面的粗糙結(jié)構(gòu)顯得更為重要。實驗表明固體表面的微米結(jié)構(gòu)、納米結(jié)構(gòu)，尤其是微米和納米相結(jié)合的結(jié)構(gòu)能更好地提高固體表面的超疏水性能，特別是微米結(jié)構(gòu)的直徑在10微米以上的。現(xiàn)在制備二氧化硅的方法主要是高溫拉絲的方法，這種方法制備的二氧化硅纖維表面光滑，不具備制備超疏水材料的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)；而靜電紡絲法 制備的二氧化硅微球纖維雖然具有疏水性質(zhì)，但制備的二氧化硅微球纖維的直徑在5微米以下，因此疏水效果不好。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是要解決現(xiàn)有方法制備的二氧化硅纖維的直徑小，而導(dǎo)致疏水性能差的問題，提供一種超疏水二氧化硅纖維的制備方法。本發(fā)明一種超疏水二氧化硅纖維的制備方法，按以下步驟進行一、在攪拌速度為200 300rpm的條件下，將17 19mL的質(zhì)量百分含量為2%的氨水和79 81mL無水乙醇混合均勻，加熱至60°C后，再加入2. I 2. 3mL的正娃酸四乙酯，保持上述溫度和轉(zhuǎn)速不變繼續(xù)反應(yīng)24h，即得到二氧化硅種子乳液；二、在攪拌速度為150 200rpm的條件下，將155 165mL的無水乙醇和14 16mL濃氨水加入到三口瓶中攪拌混合均勻，然后在水浴溫度為25°C，攪拌速度為150 200rpm的條件下滴加I. 9 2. ImL 二氧化娃種子乳液,保持150 200rpm的速度繼續(xù)攪拌15 20min，以速度為O. lmL/min向三口瓶內(nèi)滴加A溶液440 460mL，同時以速度為
O.05mL/min向三口瓶內(nèi)滴加B溶液220 230mL，即得到含有粒徑為245 255nm 二氧化娃微球的乳液；三、將步驟二得到的二氧化硅微球的乳液在轉(zhuǎn)速為8000rpm的條件下離心5min，收集固相物，然后在轉(zhuǎn)速為SOOOrpm的條件下用去離子水離心洗滌收集的固相物5次，收集固相物，加入50mL去離子水，然后在頻率為99MHz的條件下用超聲波儀超聲15 20min，得到二氧化硅乳液；四、稱取O. 8824 O. 9524g聚乙烯醇加入4mL去離子水中，放到干燥箱中，60°C恒溫處理2 3h，然后將溫度升至90°C后恒溫處理4 6h，得到聚乙烯醇溶液；五、按照聚乙烯醇和二氧化硅質(zhì)量比為2 I的比例，將步驟四的聚乙烯醇溶液和步驟三的二氧化硅乳液混合，然后用加熱式磁力攪拌器加熱至90°C保持4 5h，其中攪拌速度為200 300rpm，得到二氧化硅/聚乙烯醇紡絲液；六、按照去離子水和無水硫酸鈉質(zhì)量比為(4. 5 5) I配制紡絲液凝固浴，將紡絲液凝固浴加熱至45°C，將步驟五中得到的二氧化硅/聚乙烯醇紡絲液放在機械混勻器上震蕩2 3min，倒入到注射器中，將注射器75°C恒溫加熱，連接濕法紡絲裝置，調(diào)節(jié)注射速度為I 2mL/h，絲的纏繞速度為I 2m/min，進行紡絲，即得到二氧化硅微球纖維；七、將步驟六中得到的二氧化硅微球纖維二維編織于單晶硅片上，然后放入馬弗爐中，升溫至500°c恒溫3h，然后繼續(xù)升溫至800°C恒溫O. 5h，停止加熱自然冷卻；八、將步驟七中冷卻的單晶硅片浸入體積百分含量為I %氟硅烷乙醇溶液，升溫至150°C后恒溫保存3h，取出晾干，即得到超疏水二氧化硅纖維；其中步驟二中濃氨 水為質(zhì)量百分含量為25 28%的氨水，A溶液是由正硅酸四乙酯和乙醇按體積比為I : 2的比例混合而成，B溶液是由質(zhì)量百分含量為25 28%的氨水、去離子水和無水乙醇按體積比為2:3: 7的比例混合而成。本發(fā)明制備的超疏水二氧化硅纖維是一種表面具有納米結(jié)構(gòu)且其直徑在十幾微米至幾百微米之間的纖維，具有微米和納米相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，因此本發(fā)明制備的超疏水二氧化硅纖維具有超疏水性能，這種纖維在許多防水器件上有著巨大的應(yīng)用前景。
圖I是試驗I步驟二中得到的二氧化硅微球的掃描電鏡圖；圖2是試驗I中得到的二氧化硅微球纖維的掃描電鏡圖；圖3是試驗I中得到的超疏水二氧化硅纖維的掃描電鏡圖；圖4是水滴在試驗I中得到的超疏水二氧化硅纖維表面的接觸角圖。
具體實施例方式具體實施方式
一本實施方式一種超疏水二氧化硅纖維的制備方法，按以下步驟進行一、在攪拌速度為200 300rpm的條件下，將17 19mL的質(zhì)量百分含量為2%的氨水和79 81mL無水乙醇混合均勻,加熱至60°C后,再加入2. I 2. 3mL的正娃酸四乙酯，保持上述溫度和轉(zhuǎn)速不變繼續(xù)反應(yīng)24h，即得到二氧化硅種子乳液；二、在攪拌速度為150 200rpm的條件下，將155 165mL的無水乙醇和14 16mL濃氨水加入到三口瓶中攪拌混合均勻，然后在水浴溫度為25°C，攪拌速度為150 200rpm的條件下滴加I. 9 2. ImL 二氧化娃種子乳液,保持150 200rpm的速度繼續(xù)攪拌15 20min，以速度為O. lmL/min向三口瓶內(nèi)滴加A溶液440 460mL，同時以速度為O. 05mL/min向三口瓶內(nèi)滴加B溶液220 230mL，即得到含有粒徑為245 255nm 二氧化娃微球的乳液；三、將步驟二得到的二氧化硅微球的乳液在轉(zhuǎn)速為8000rpm的條件下離心5min，收集固相物，然后在轉(zhuǎn)速為SOOOrpm的條件下用去離子水離心洗滌收集的固相物5次，收集固相物，加入50mL去離子水，然后在頻率為99MHz的條件下用超聲波儀超聲15 20min，得到二氧化硅乳液；四、稱取O. 8824 O. 9524g聚乙烯醇加入4mL去離子水中，放到干燥箱中，60°C恒溫處理2 3h，然后將溫度升至90°C后恒溫處理4 6h，得到聚乙烯醇溶液；
五、按照聚乙烯醇和二氧化硅質(zhì)量比為2 I的比例，將步驟四的聚乙烯醇溶液和步驟三的二氧化硅乳液混合，然后用加熱式磁力攪拌器加熱至90°C保持4 5h，其中攪拌速度為200 300rpm，得到二氧化硅/聚乙烯醇紡絲液；六、按照去離子水和無水硫酸鈉質(zhì)量比為(4. 5 5) I配制紡絲液凝固浴，將紡絲液凝固浴加熱至45°C，將步驟五中得到的二氧化硅/聚乙烯醇紡絲液放在機械混勻器上震蕩2 3min，倒入到注射器中，將注射器75°C恒溫加熱，連接濕法紡絲裝置，調(diào)節(jié)注射速度為I 2mL/h，絲的纏繞速度為I 2m/min，進行紡絲，即得到二氧化硅微球纖維；七、將步驟六中得到的二氧化硅微球纖維二維編織于單晶硅片上，然后放入馬弗爐中，升溫至500°C恒溫3h，然后繼續(xù)升溫至800°C恒溫O. 5h，停止加熱自然冷卻；八、將步驟七中冷卻的單晶硅片浸入體積百分含量為I %氟硅烷乙醇溶液，升溫至150°C后恒溫保存3h，取出晾干，即得到超疏水二氧化硅纖維；其中步驟二中濃氨水為質(zhì)量 百分含量為25 28%的氨水，A溶液是由正硅酸四乙酯和乙醇按體積比為I : 2的比例混合而成，B溶液是由質(zhì)量百分含量為25 28%的氨水、去離子水和無水乙醇按體積比為2:3: 7的比例混合而成。本實施方式制備的超疏水二氧化硅纖維是一種表面具有納米結(jié)構(gòu)且其直徑在十幾微米至幾百微米之間的纖維，具有微米和納米相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，因此本發(fā)明制備的超疏水二氧化硅纖維具有超疏水性能，這種纖維在許多防水器件上有著巨大的應(yīng)用前景。
具體實施方式
二 本實施方式與具體實施方式
一不同的是步驟一中將18mL的質(zhì)量百分含量為2%的氨水和80mL無水乙醇混合均勻。其它與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
三本實施方式與具體實施方式
一或二不同的是步驟一中加入2. 2mL的正硅酸四乙酯。其它與具體實施方式
一或二相同。
具體實施方式
四本實施方式與具體實施方式
一至三之一不同的是步驟二中滴加2mL 二氧化娃種子乳液。其它與具體實施方式
一至三之一相同。
具體實施方式
五本實施方式與具體實施方式
一至四之一不同的是步驟二中向三口瓶內(nèi)滴加A溶液450mL。其它與具體實施方式
一至四之一相同。
具體實施方式
六本實施方式與具體實施方式
一至五之一不同的是步驟二中向三口瓶內(nèi)滴加B溶液225mL。其它與具體實施方式
一至四之一相同。
具體實施方式
七本實施方式與具體實施方式
一至六之一不同的是步驟二中得到粒徑255nm 二氧化硅微球的乳液。其它與具體實施方式
一至四之一相同。
具體實施方式
八本實施方式與具體實施方式
一至七之一不同的是步驟三中用超聲波儀超聲15min。其它與具體實施方式
一至四之一相同。
具體實施方式
九本實施方式與具體實施方式
一至八之一不同的是步驟四中60°C恒溫處理3h。其它與具體實施方式
一至八之一相同。
具體實施方式
十本實施方式與具體實施方式
一至八之一不同的是步驟六中按照去離子水和無水硫酸鈉質(zhì)量比為4. 7 I配制紡絲液凝固浴。其它與具體實施方式
一至八之一相同。通過以下試驗驗證本發(fā)明的有益效果試驗I:: 一種超疏水二氧化硅纖維的制備方法，按以下步驟進行一、在攪拌速度為200rpm的條件下，將18mL的質(zhì)量百分含量為2%的氨水和80mL無水乙醇混合均勻，加熱至60°C后，再加入2. 2mL的正硅酸四乙酯，保持上述溫度和轉(zhuǎn)速不變繼續(xù)反應(yīng)24h，即得到二氧化硅種子乳液；二、在攪拌速度為170rpm的條件下,將160mL的無水乙醇和15mL濃氨水加入到三口瓶中攪拌混合均勻，然后在水浴溫度為25°C，攪拌速度為170rpm的條件下滴加2mL 二氧化硅種子乳液，同樣速度攪拌15min，以速度為O. lmL/min向三口瓶內(nèi)滴加A溶液450mL，同時以速度為O. 05mL/min向三口瓶內(nèi)滴加B溶液225mL，既得到含有粒徑為255nm 二氧化硅微球的乳液； 三、將步驟二中得到的二氧化硅微球乳液在轉(zhuǎn)速為8000rpm的條件下離心5min，收集固相物，然后在轉(zhuǎn)速為SOOOrpm的條件下用去離子水離心洗滌收集的固相物5次，收集固相物，加入50mL去離子水，然后在頻率為99MHz的條件下用超聲波儀超聲15 20min，得到二氧化硅乳液；四、稱取O. 8824 O. 9524g聚乙烯醇加入4mL去離子水中，放到干燥箱中，60°C恒溫處理3h，然后將溫度升至90°C后恒溫處理6h，得到聚乙烯醇溶液；五、按照聚乙烯醇和二氧化硅質(zhì)量比為2 I的比例，將步驟四的聚乙烯醇溶液和步驟三的二氧化硅乳液混合，然后用加熱式磁力攪拌器加熱至90°C保持4h，其中攪拌速度為250rpm,得到紡絲液；六、按照去離子水和無水硫酸鈉質(zhì)量比為4. 7 I配制紡絲液凝固浴，將紡絲液凝固浴加熱至45°C，紡絲液放在機械混勻器上震蕩2min，倒入到注射器中，將注射器75°C恒溫加熱，連接濕法紡絲裝置，調(diào)節(jié)注射速度為I 2mL/h，絲的纏繞速度為I 2m/min，進行紡絲，即得到二氧化硅微球纖維；七、將步驟六中得到的二氧化硅微球纖維二維編織于單晶硅片上，然后放入馬弗爐中，升溫至500°C恒溫3h，然后繼續(xù)升溫至800°C恒溫O. 5h，停止加熱自然冷卻；八、將步驟七中冷卻的單晶硅片浸入體積百分含量為I %氟硅烷乙醇溶液，升溫至150°C后恒溫保存3h，取出晾干，即得到超疏水二氧化硅纖維；其中步驟二中濃氨水為質(zhì)量百分含量為25 28%的氨水，A溶液是由正硅酸四乙酯和乙醇按體積比為I : 2的比例混合而成，B溶液是由質(zhì)量百分含量為25 28%的氨水、去離子水和無水乙醇按體積比為2:3: 7的比例混合而成。對步驟二中得到的二氧化硅微球進行電鏡掃描，結(jié)果如圖I所示，由圖I可知二氧化硅微球的直徑為255nm ;對步驟五中得到的二氧化硅微球纖維進行電鏡掃描，結(jié)果如圖2所示，由圖2可知二氧化硅微球纖維的直徑為15 μ m。由圖I和圖2可知試驗I得到的超疏水二氧化硅纖維具有微米和納米相結(jié)合的結(jié)構(gòu)。對試驗I中得到的超疏水二氧化硅纖維進行電鏡掃描，結(jié)果如圖3所示，由圖3可知試驗I中得到的超疏水二氧化硅纖維的表面具有粗糙結(jié)構(gòu)；圖4是水滴在試驗I中得到的超疏水二氧化硅纖維表面的接觸角圖，由圖4可知，水滴在試驗I中得到的超疏水二氧化硅纖維表面的接觸角為152°，因此本試驗得到的超疏水二氧化硅纖維具有超疏水性能。
權(quán)利要求
1.ー種超疏水ニ氧化硅纖維的制備方法，其特征在于超疏水ニ氧化硅纖維的制備方法是按以下步驟進行 一、在攪拌速度為200 300rpm的條件下，將17 19mL的質(zhì)量百分含量為2%的氨水和79 81mL無水こ醇混合均勻，加熱至60°C后，再加入2. I 2. 3mL的正娃酸四こ酯,保持上述溫度和轉(zhuǎn)速不變繼續(xù)反應(yīng)24h，即得到ニ氧化硅種子乳液； ニ、在攪拌速度為150 200rpm的條件下，將155 165mL的無水こ醇和14 16mL濃氨水加入到三ロ瓶中攪拌混合均勻，然后在水浴溫度為25°C，攪拌速度為150 200rpm的條件下滴加I. 9 2. ImL ニ氧化娃種子乳液,保持150 200rpm的速度繼續(xù)攪拌15 20min,以速度為O. lmL/min向三ロ瓶內(nèi)滴加A溶液440 460mL，同時以速度為O. 05mL/min向三ロ瓶內(nèi)滴加B溶液220 230mL，即得到含有粒徑為245 255nm ニ氧化硅微球的乳液； 三、將步驟ニ得到的ニ氧化娃微球的乳液在轉(zhuǎn)速為8000rpm的條件下離心5min,收集固相物，然后在轉(zhuǎn)速為SOOOrpm的條件下用去離子水離心洗滌收集的固相物5次，收集固相物，加入50mL去離子水，然后在頻率為99MHz的條件下用超聲波儀超聲15 20min，得到ニ氧化硅乳液； 四、稱取O.8824 O. 9524g聚こ烯醇加入4mL去離子水中，放到干燥箱中，60°C恒溫處理2 3h，然后將溫度升至90°C后恒溫處理4 6h，得到聚こ烯醇溶液； 五、按照聚こ烯醇和ニ氧化硅質(zhì)量比為2 I的比例，將步驟四的聚こ烯醇溶液和步驟三的ニ氧化硅乳液混合，然后用加熱式磁力攪拌器加熱至90°C保持4 5h，其中攪拌速度為200 300rpm，得到ニ氧化硅/聚こ烯醇紡絲液； 六、按照去離子水和無水硫酸鈉質(zhì)量比為(4.5 5) I配制紡絲液凝固浴，將紡絲液凝固浴加熱至45°C，將步驟五中得到的ニ氧化硅/聚こ烯醇紡絲液放在機械混勻器上震蕩2 3min，倒入到注射器中，將注射器75°C恒溫加熱，連接濕法紡絲裝置，調(diào)節(jié)注射速度為I 2mL/h，絲的纏繞速度為I 2m/min，進行紡絲，即得到ニ氧化硅微球纖維； 七、將步驟六中得到的ニ氧化硅微球纖維ニ維編織于單晶硅片上，然后放入馬弗爐中，升溫至500°C恒溫3h，然后繼續(xù)升溫至800°C恒溫O. 5h，停止加熱自然冷卻； ノV、將步驟七中冷卻的單晶硅片浸入體積百分含量為I %氟硅烷こ醇溶液，升溫至150°C后恒溫保存3h，取出晾干，即得到超疏水ニ氧化硅纖維；其中步驟ニ中濃氨水為質(zhì)量百分含量為25 28%的氨水，A溶液是由正硅酸四こ酯和こ醇按體積比為I : 2的比例混合而成，B溶液是由質(zhì)量百分含量為25 28%的氨水、去離子水和無水こ醇按體積比為2:3: 7的比例混合而成。
2.根據(jù)權(quán)利要求Iー種超疏水ニ氧化硅纖維的制備方法，其特征在于步驟一中將ISmL的質(zhì)量百分含量為2%的氨水和80mL無水こ醇混合均勻。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2—種超疏水ニ氧化硅纖維的制備方法，其特征在于步驟一中加入2. 2mL的正硅酸四こ酷。
4.根據(jù)權(quán)利要求3—種超疏水ニ氧化硅纖維的制備方法，其特征在于步驟ニ中滴加2mL ニ氧化硅種子乳液。
5.根據(jù)權(quán)利要求4ー種超疏水ニ氧化硅纖維的制備方法，其特征在于步驟ニ中向三ロ瓶內(nèi)滴加A溶液450mL。
6.根據(jù)權(quán)利要求5—種超疏水ニ氧化硅纖維的制備方法，其特征在于步驟ニ中向三ロ瓶內(nèi)滴加B溶液225mL。
7.根據(jù)權(quán)利要求6—種超疏水ニ氧化硅纖維的制備方法，其特征在于步驟ニ中得到粒徑255nm ニ氧化娃微球的乳液。
8.根據(jù)權(quán)利要求7—種超疏水ニ氧化硅纖維的制備方法，其特征在于步驟三中用超聲波儀超聲15min。
9.根據(jù)權(quán)利要求8—種超疏水ニ氧化硅纖維的制備方法，其特征在于步驟四中60°C恒溫處理3h。
10.根據(jù)權(quán)利要求9ー種超疏水ニ氧化硅纖維的制備方法，其特征在于步驟六中按照去離子水和無水硫酸鈉質(zhì)量比為4. 7 I配制紡絲液凝固浴。
全文摘要
一種超疏水二氧化硅纖維的制備方法，涉及一種二氧化硅纖維的制備方法。本發(fā)明是要解決現(xiàn)有方法制備的二氧化硅纖維的直徑小，而導(dǎo)致疏水性能差的問題。方法一、制備二氧化硅種子乳液；二、制備二氧化硅微球的乳液；三、制備二氧化硅乳液；四、制備聚乙烯醇溶液；五、制備紡絲液；六、利用濕法紡絲法進行紡絲，得到二氧化硅微球纖維；七、將二氧化硅微球纖維二維編織于單晶硅片上，放入馬弗爐中進行處理，然后冷卻；八、將冷卻的單晶硅片浸入氟硅烷乙醇溶液進行處理即得到超疏水二氧化硅纖維。本發(fā)明制備的超疏水二氧化硅纖維具有微米和納米相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，因此具有超疏水性能，本發(fā)明在許多防水器件上有著巨大的應(yīng)用前景。
文檔編號B82Y40/00GK102838122SQ20121034429
公開日2012年12月26日 申請日期2012年9月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月18日
發(fā)明者孫立國, 常金輝, 趙冬梅, 季大千, 汪成 申請人:黑龍江大學