CN104891829B - 一种纳米氧化钛在玻璃纤维表面的生长方法 - Google Patents
一种纳米氧化钛在玻璃纤维表面的生长方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种纳米氧化钛在玻璃纤维表面的生长方法，该方法先通过在玻璃纤维表面通过多巴胺的自聚合反应对短切玻璃纤维表面进行有效修饰，后通过水热合成法在修饰多巴胺的玻璃纤维表面生长纳米氧化钛。本发明的多巴胺聚合修饰玻璃纤维工艺简单、成本低、操作简单，所制得的纳米氧化钛在玻璃纤维上分布均匀、形貌及大小可调可控，适用于大规模短切玻璃纤维表面的纳米氧化钛生长。
Description
技术领域
本发明涉及一种纳米氧化钛在玻璃纤维表面的生长方法，属于纤维改性及纤维合成技术领域。
背景技术
纳米氧化钛是一种重要的纳米金属氧化物，其具备化学稳定性好、热稳定性高、无毒无迁移等特点，并有着自清洁、抗菌、抗紫外线等功效，而被广泛用于光催化触媒、涂料、食品包装、航空航天等领域。在建筑材料领域中，纳米氧化钛亦逐渐融入，对改善建筑材料的性能、发展功能性建筑基材提供了新的方式方法：将纳米氧化钛涂覆于建筑外墙，实现了外墙表面的有效自清洁，保持了建筑物的外观整洁度及美观性；以纳米氧化钛与路面材料结合，通过纳米氧化钛对氮氧化物的催化降解，减少了汽车尾气对大气环境的污染，起到了对周围空气的有效净化作用。
通过在混凝土中加入纤维，极大地改善了水泥自身的脆性弱点，有效地提升了混凝土结构的韧性、抗冲击性及耐久性，但其问题在于纤维与混凝土间的界面结合弱、融合性差。因此通过纤维表面接枝纳米材料，如二氧化钛，实现纤维与混凝土的有效连接，并完成功能性建筑材料的制备与修饰，是提升纤维基建筑材料的重要课题方向。玻璃纤维是重要的建材用纤维，其表面的二氧化钛修饰大致包括两个步骤，种子层的生长及颗粒的生长。对种子层的生长，主要采用浸润提拉方法，而颗粒的生长则可以通过煅烧或溶胶凝胶法来实现。通过同时加热玻璃纤维及前驱溶液，利用浸润提拉形成前驱物薄膜，后进行煅烧处理，完成前驱物溶液到纳米颗粒的生成及转变。虽然上述方法可以实现纳米氧化钛的玻璃纤维表面生长，但其规模局限性小，不能完全满足建筑材料领域所需的纤维表面纳米氧化钛的大规模生产及合成，尤其是其种子层的提拉生长方法，生产成本高、能耗及固定投资大，不适宜大规模的纤维表面生长纳米氧化钛。
发明内容
针对现有技术在纤维表面生长纳米氧化钛存在着的固定投资大、生产成本高、规模化生产难度大的问题，本发明提供一种利用简单的聚合反应修饰玻璃纤维在水热条件下生长纳米氧化钛的方法。采用本发明的合成方法，所得的表面纳米氧化钛颗粒分布均匀、形貌及大小可调可控，为大规模表面的纤维表面生长纳米氧化钛颗粒提供方法途径。
本发明的主要技术方案为先通过有机物多巴胺的常温聚合反应在玻璃纤维表面进行修饰，后通过钛酸四丁酯的热水解反应，形成形貌一致、覆盖均匀的玻璃纤维表面生成纳米氧化钛。
一种纳米氧化钛在玻璃纤维表面的生长方法，包括如下步骤：
（1）称取预先洗净并烘干的短切玻璃纤维，加入三羟甲基氨基甲烷-盐酸（Tris-HCl）缓冲溶液中，然后向Tris-HCl溶液中加入多巴胺固体，在常温下以空气或通氧条件下振荡，得到表面多巴胺聚合的玻璃纤维。
（2）混合浓盐酸及水，搅拌后逐滴加入钛酸四丁酯，继续搅拌至溶液澄清，作为钛源溶液。
（3）将步骤（1）中所得的玻璃纤维及步骤（2）所得的钛源溶液加入到反应釜中，密封反应釜，在一定温度下反应数小时，得到表面生长纳米氧化钛的玻璃纤维。
根据本发明所述步骤（1）中多巴胺、玻璃纤维及Tris-HCl的质量:质量:体积为1:8~50: 300~1200。
根据本发明所述步骤（1）中pH值范围在8~9之间。
根据本发明所述步骤（1）中振荡速度为180~220转/分钟，振荡的时间为8~16小时。
根据本发明所述步骤（2）中钛酸四丁酯、浓盐酸及水的体积比为1: 15~20: 45~60。
根据本发明所述步骤（2）中搅拌时间为5-10 分钟。
根据本发明所述步骤（3）中高压反应釜的填充度在体积60%~80%为宜，主要通过加入钛源溶液来调节。
根据本发明所述步骤（3）中玻璃纤维与钛源溶液的质量体积比为1: 130~400。
根据本发明所述步骤（3）中的加热温度为150 oC -180 oC。
根据本发明所述步骤（3）中的反应时间为5-8小时。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
（1）本发明以多巴胺的原位自聚合为起点进行玻璃纤维的表面修饰，聚合多巴胺条件温和，所得聚合多巴胺厚度可调可控。
（2）本发明中多巴胺自聚合反应工艺简单，操作方便，成本低，重复性好，可实现玻璃纤维的一次性大规模修饰。
（3）本发明基于多巴胺在玻璃纤维表面的聚合反应生长纳米氧化钛，所得纳米氧化钛在玻璃纤维表面分布均匀。
（4）本发明中基于多巴胺在玻璃纤维表面的聚合反应生长纳米氧化钛，其形貌及大小通过改变反应温度及时间等生长参数，实现可调可控。
具体实施方式：
下面以实施例对本发明的技术方案作进一步说明，但本发明所保护范围不限于此。
实施例1：
一种纳米氧化钛在玻璃纤维表面的生长方法，包括如下步骤：
（1）称量5 g洗净的短切玻璃纤维，加入150 mL pH 8.2的Tris-HCl缓冲溶液中,称取0.2 g 多巴胺固体，常温下以180 转/分钟的震荡速度在通氧气条件下振荡8 小时，得到表面多巴胺聚合的玻璃纤维。
（2）量取 5 mL浓盐酸及 15 mL水，混合后搅拌5分钟，再逐滴加入钛酸四丁酯0.3mL，继续搅拌至溶液澄清，作为钛源溶液。
（3）取步骤（1）中所得的 0.05 g玻璃纤维及步骤（2）的20 mL钛源溶液加入到30mL反应釜中，密封反应釜，在150 oC反应5小时，得到表面生长纳米氧化钛的玻璃纤维。
实施例2：
一种纳米氧化钛在玻璃纤维表面的生长方法，包括如下步骤：
（1）称量5 g洗净的短切玻璃纤维，加入150 mL pH 8.2的Tris-HCl缓冲溶液中,称取0.2 g 多巴胺固体，常温下以180 转/分钟的震荡速度在通氧气条件下振荡8小时，得到表面多巴胺聚合的玻璃纤维。
（2）量取 5 mL浓盐酸及 15 mL水，混合后搅拌5分钟，再逐滴加入钛酸四丁酯0.5mL，继续搅拌至溶液澄清，作为钛源溶液。
（3）取步骤（1）中所得的 0.05 g玻璃纤维及步骤（2）的20 mL钛源溶液加入到30mL反应釜中，密封反应釜，在150 oC反应5小时，得到表面生长纳米氧化钛的玻璃纤维。
实施例3：
一种纳米氧化钛在玻璃纤维表面的生长方法，包括如下步骤：
（1）称量8 g洗净的短切玻璃纤维，加入200 mL pH 8.5的Tris-HCl缓冲溶液中,称取0.3 g 多巴胺固体，常温下以200 转/分钟的震荡速度在空气中振荡12 小时，得到表面多巴胺聚合的玻璃纤维。
（2）量取 5 mL浓盐酸及 15 mL水，混合后搅拌5分钟，再逐滴加入钛酸四丁酯0.3mL，继续搅拌至溶液澄清，作为钛源溶液。
（3）取步骤（1）中所得的 0.05 g玻璃纤维及步骤（2）的20 mL钛源溶液加入到30mL反应釜中，密封反应釜，在150 oC反应5小时，得到表面生长纳米氧化钛的玻璃纤维。
实施例4：
一种纳米氧化钛在玻璃纤维表面的生长方法，包括如下步骤：
（1）称量8 g洗净的短切玻璃纤维，加入200 mL pH 8.5的Tris-HCl缓冲溶液中,称取0.3 g 多巴胺固体，常温下以200 转/分钟的震荡速度在空气中振荡14 小时，得到表面多巴胺聚合的玻璃纤维。
（2）量取 10 mL浓盐酸及 30 mL水，混合后搅拌8分钟，再逐滴加入钛酸四丁酯0.5mL，继续搅拌至溶液澄清，作为钛源溶液。
（3）取步骤（1）中所得的 0.2 g玻璃纤维及步骤（2）的40 mL钛源溶液加入到50 mL反应釜中，密封反应釜，在150 oC反应7小时，得到表面生长纳米氧化钛的玻璃纤维。
实施例5：
一种纳米氧化钛在玻璃纤维表面的生长方法，包括如下步骤：
（1）称量8 g洗净的短切玻璃纤维，加入200 mL pH 8.5的Tris-HCl缓冲溶液中,称取0.3 g 多巴胺固体，常温下以220 转/分钟的震荡速度在空气中振荡14 小时，得到表面多巴胺聚合的玻璃纤维。
（2）量取 20 mL浓盐酸及 60 mL水，混合后搅拌10分钟，再逐滴加入钛酸四丁酯1.1 mL，继续搅拌至溶液澄清，作为钛源溶液。
（3）取步骤（1）中所得的 0.5 g玻璃纤维及步骤（2）所得的80 mL钛源溶液加入到100 mL反应釜中，密封反应釜，在180 oC反应5小时，得到表面生长纳米氧化钛的玻璃纤维。
Claims (3)
1.一种纳米氧化钛在玻璃纤维表面的生长方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）称取预先洗净并烘干的短切玻璃纤维，加入Tris-HCl缓冲溶液中，然后向Tris-HCl溶液中加入多巴胺固体，其中多巴胺、玻璃纤维及Tris-HCl溶液的质量:质量:体积比为1:8~50: 300~1200，多巴胺与玻璃纤维质量单位为g，Tris-HCl溶液体积单位为mL；在常温下以空气或通氧条件下振荡8~16小时，震荡速度为180~220转/分钟，得到表面多巴胺聚合的玻璃纤维；
（2）混合浓盐酸及水，搅拌后逐滴加入钛酸四丁酯，其中钛酸四丁酯、浓盐酸及水的体积比为1: 15~20: 45~60，继续搅拌5~10 分钟至溶液澄清，作为钛源溶液；
（3）将步骤（1）中所得的玻璃纤维及步骤（2）所得的钛源溶液加入到反应釜中，其中玻璃纤维与钛源溶液的质量体积比为1: 130~400，密封反应釜，在150 oC ~180 oC条件下反应5~8小时，得到表面生长纳米氧化钛的玻璃纤维。
2.根据权利要求1所述的一种纳米氧化钛在玻璃纤维表面的生长方法，其特征在于，所述步骤（1）中pH值范围在8~9之间。
3.根据权利要求1所述的一种纳米氧化钛在玻璃纤维表面的生长方法，其特征在于，高压反应釜的填充度在体积60%~80%为宜，主要通过加入钛源溶液来调节。
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