华南理工大学陈广学教授团队—基于纤维素/SiO2的超疏水纸的构建及特性评价 | MDPI Materials

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作者简介

 陈广学 教授

工学博士、华南理工大学教授、博士生导师，1993年起享受国务院特殊津贴。主要从事新型印刷包装环保及功能性材料、智能包装、环保包装、功能包装、数字印刷与3D打印、高端包装印刷防伪技术、物联网及大数据应用等方面的研究工作。

 王青 博士

华南理工大学制浆造纸工程专业博士，副研究员，主要从事新型印刷包装环保及功能性材料以及天然高分子材料高值化利用方面的研究工作。

引言

植物纤维作为一种天然的生物材料，可以作为很多制造行业的主要原材料，特别是制浆造纸行业。近年来，不少科研工作者以纸基为原料，用多种方法制备出了一些功能性纸材，例如抗菌纸、吸油纸、香味纸、防伪纸等。然而，纤维素纤维的高水分含量和吸湿性导致纸基材料的物理性能差，特别是随着限塑令政策的持续严格推行，“以纸代塑”呼声高涨。因此，构建具有超疏水特性的纸基功能材料至关重要。近期，来自华南理工大学的陈广学教授团队提出了一种简便的方法，将纤维素纤维转化为具有优异超疏水特性和自清洁特性的超疏水纸。相关研究成果“Facile Approach to Develop Hierarchical Roughness fiber@SiO₂ Blocks for Superhydrophobic Paper”发表于Materials期刊。

研究内容

本文以纤维素纤维为原料，以正硅酸乙酯 (TEOS) 为硅源，利用纤维素表面富含的羟基静电吸附正硅酸乙酯，采用Stöber法在纤维素纤维表面包裹一层纳米级二氧化硅粒子，增加了纤维的表面粗糙度，抄造成纸后经低表面能硅烷偶联剂十六烷基三甲氧基硅烷低表面能处理后，制备得到具有超疏水/超亲油特性的功能纸 (如图1所示)。

图1. 纤维素/SiO₂基超疏水纸的制备工艺示意图。

研究成果

未改性的纤维素纤维为扁平结构，且纤维表面比较光滑，尚未具备微纳粗糙结构，不能满足构建超疏水界面的条件 (图2a1)。经原位水解正硅酸乙酯后，纤维素纤维表面成功包覆上一层排列规整的纳米二氧化硅粒子，且随着氨水用量的增大，二氧化硅粒子的粒径在几十纳米到几百纳米之间 (图2a2-a4)，增大了纤维素纤维表面的粗糙度，为下一步构建超疏水表面提供了有利条件。

图2. 未改性纤维素纤维和不同氨水条件下载硅后纤维素纤维的SEM图，插图为对应的纤维素抄造成纸疏水化处理后与水的静态接触角。

与未改性纤维素相比，经过二氧化硅改性后的纤维素纤维的红外谱图中 (图3)，在797cm⁻¹处出现了Si-O-Si的反对称吸收峰；同时在463cm⁻¹处出现了Si-O-Si的弯曲振动吸收峰，说明二氧化硅成功包覆到纤维素纤维表面。同时，结合XPS图谱，单纯纤维素表面几乎没有Si元素的存在，原位水解正硅酸乙酯后的纤维素谱图中出现了强烈的Si元素的信号峰 (27.93%)，这进一步证明了纤维素纤维表面接枝上二氧化硅粒子。

图3. 未改性纤维素纤维和载硅后纤维素纤维的红外光谱图。

为了进一步探究纤维素纤维表面结合二氧化硅纳米粒子的机理，作者对纤维素纤维改性前后的C1s进行了分峰 (图4)。纤维素纤维的C1s峰可以分峰拟合为288.1eV、286.8eV和284.8eV的三个峰，分别是纤维素中-C=O，C-O/C-N和C-C/C=C的典型信号峰。在SiO₂改性后，C-C/C=C信号峰强度相对增大，这是由于在纤维素纤维上形成纤维素-(OH)Si(OC₂H₅)₃键合。纤维素纤维改性前后的 C1s XPS光谱表明这些结果表明，正硅酸乙酯与纤维素纤维表面的羟基发生原位水解反应，合成了纤维素纤维/SiO₂复合材料。

图4. 原始纤维素纤维和载硅后纤维素纤维表面元素分析。

考虑到在实际应用中，对于超疏水纸，轻微的机械摩擦，例如手指摩擦，是最常见的机械损伤形式。因此，作者进行了有针对性的手指摩擦测试以评估其实际应用 (图5)。即使在10次手指磨损后，纸张表面仍保持超疏水性，与水的静态接触角为150.8°，仍为超疏水性。所制备的基于SiO₂改性纤维素纤维的纸张经HDTMS低表面能处理后，具有较好的超疏水自清洁特性和耐手指机械摩擦性能，可以满足实际应用的基本要求。

图5. 所制备超疏水纸耐手指摩擦光学图片以及静态接触角与摩擦次数的关系图。

结论

本研究基于仿荷叶结构构建机理，提出了构建超浸润耐久性超疏水的可控制备方法，为解决纸基超疏水材料难以规模化制备以及耐久性差的难题提供新的解决思路与方法。

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阅读英文原文

原文出自Materials期刊

Wang, Q.; Xiong, J.; Chen, G.; Xinping, O.; Yu, Z.; Chen, Q.; Yu, M. Facile Approach to Develop Hierarchical Roughness fiber@SiO₂ Blocks for Superhydrophobic Paper. Materials 2019, 12, 1393.

Materials 期刊介绍

主编：Prof. Dr. Maryam Tabrizian，McGill University，Canada

期刊主要关注材料科学与工程研究相关各个领域的最新研究成果，包括但不限于高分子、纳米材料，能源材料、复合材料、碳材料、多孔材料、生物材料、建筑材料、陶瓷、金属等，以及材料物理化学、催化、腐蚀、光电应用、结构分析和表征、建模等。

2020 Impact Factor	3.623 (Q1*)
2020 CiteScore	4.2
MPT	36
APT	39

*Q1 (17/80) at category "Metallurgy and Metallurgical  Engineering"

*MPT: Median Publication Time; APT: Average Publication Time

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