论文部分内容阅读
纤维素是地球上丰富的天然有机高分子材料,大量存在于绿色植物和海洋生物中,具有广阔的开发利用前景。利用纤维素上丰富的羟基进行功能化修饰,赋予其某些特殊性能,研发出纤维素基新型功能材料,是高效利用纤维素资源的有效途径之一,不仅拓宽了纤维素的应用领域,而且也可提升纤维素基产品的附加值。而液体弹珠是被粒子包裹而形成的液滴,表现出独特的性能,在微型反应器、药物传递、微流体和生物医药领域具有潜在的应用价值。论文通过自由基共聚合制备低表面能物质—多巴含氟共聚物（Poly（DOPAm-co-PFOEA））,用多巴含氟共聚物对磁性纤维素微球和磁性纳米纤维素粒子进行疏水改性,制备超疏水磁性纤维素粒子,用于包裹液滴构建液体弹珠,并研究液体弹珠各种性能及其应用,为纤维素的功能化应用提供理论依据。通过酰胺化反应在多巴盐酸盐上引入碳碳双键,再采用自由基共聚合制备低表面能的多巴含氟共聚物,探讨了含氟单体的加入量对多巴含氟共聚物疏水性能和表面能的影响,采用红外、核磁和元素分析对多巴含氟共聚物的化学结构和组分进行分析。研究结果表明,合成的多巴含氟共聚物具有优异疏水性能和低表面能,氟含量越高,疏水性能越好,表面能越低;当氟含量为48.5%时,多巴含氟共聚物的接触角为151.1o,表面能下降至15.1 m N/m。以竹溶解浆为原料,采用反相乳化法制备纤维素微球;通过原位合成法将Fe3O4负载在微球上,制备磁性纤维素微球;将多巴含氟共聚物对磁性纤维素微球进行疏水改性,制备超疏水磁性纤维素微球。通过红外、热重、XRD、元素分析和接触角仪表征多巴含氟共聚物改性磁性纤维素微球的性能。研究结果表明,多巴含氟共聚物通过酚羟基与金属铁离子之间的络合作用被引入到纤维素微球的表面,赋予纤维素微球极低的表面能。多巴含氟共聚物改性后的磁性纤维素微球显示超疏水性能,接触角大于150o,磁性Fe3O4纳米粒子在纤维素微球表面的含量为20%;采用相同的方法对纳米纤维素粒子进行磁性和疏水化改性,也可制得超疏水磁性纳米纤维素粒子,其接触角达到152.9o,磁性Fe3O4纳米粒子在纤维素粒子中的含量为17.8%。采用超疏水磁性纤维素微球和超疏水磁性纳米纤维素粒子制备液体弹珠,研究了被包裹液滴的表面能和液滴的体积对液体弹珠形态的影响,探讨液体弹珠的磁性、漂浮性、稳定性和弹跳性,阐明了挥发时间对液体弹珠表面张力的影响。研究结果表明,超疏水磁性纤维素微球可包裹水、乙醇、甲苯、N,N-二甲基甲酰胺等不同液体性质的液滴,制备超疏水磁性纤维素液体弹珠。液滴的表面能对液体弹珠稳定性影响很大,液滴表面能越高,液体弹珠形状趋于球形,与固体表面的接触线越小,液体弹珠稳定性越好;液体弹珠具有较强的机械强度,从一定高度下落不容易破裂,且会弹起一定的高度,其最大下落高度为2.5cm,弹跳高度为0.5 cm;液体弹珠具有磁性,在磁场作用下可进行操控,垂直或水平移动;液体弹珠能漂浮在水面上,包裹液滴的表面能越高,液体弹珠在水面上的漂浮时间越长;相比于以竹溶解浆为原料制备的超疏水磁性纤维素微球液体弹珠,用纳米纤维素制备的超疏水磁性纤维素液体弹珠具有更好的稳定性和弹跳性,最大下落高度为2.8 cm,弹起高度为0.7 cm。采用超疏水磁性纳米纤维素粒子包裹甘油水溶液制备超疏水磁性纳米纤维素液体弹珠,考察液体弹珠内甘油水溶液挥发和水分吸收对液体弹珠表面超疏水粒子分布的影响,观察甘油水溶液挥发和水分吸收过程中液体弹珠的形态变化,研究液体弹珠内甘油水溶液浓度及其所处周围环境湿度对液体弹珠挥发速率和阻碍系数的影响,确定液体弹珠保持长期稳定的条件。研究结果表明,超疏水磁性纳米纤维素粒子在液体弹珠上是随机分布,粒子与粒子之间存在孔隙;当液体弹珠内水份挥发时,粒子之间相互运动,孔隙面积减小,在40 min内缝隙面积从18.6%减少到4.9%;而当甘油弹珠吸收水份时,孔隙面积增大,面积从20.3%增加到26.2%。在挥发过程中液体弹珠体积变小,发生变形,甚至坍塌,而在吸收过程中液体弹珠体积增大,甚至发生破裂;随着液体弹珠内甘油水溶液浓度及其所处周围环境湿度增大,液体弹珠内甘油水溶液的挥发速率减小,而液体弹珠的水分吸收速率增加,当挥发速率和吸收速率二者达到平衡时,液体弹珠形态能保持相对稳定;相比于未被包裹的液滴,液体弹珠内部的液滴表现出较低的挥发速率和吸收速率,这是因为疏水粒子起到阻碍作用,且阻碍系数随着湿度的增大而增加。在正己烷溶液中采用超疏水磁性纳米纤维素粒子包裹水滴制备磁性液体弹珠,利用液体弹珠分离正己烷水溶液,研究液体弹珠的稳定性能和自修复能力,提出了便捷的分离油中微量水滴的方法。研究结果表明,在正己烷水溶液中,投入超疏水磁性纤维素粒子,水滴能被超疏水磁性纤维素粒子包覆形成液体弹珠,液体弹珠表面的超疏水磁性纳米纤维素粒子的覆盖厚度为20±6μm,远大于磁性纳米纤维素粒子的粒径,在液体表面覆盖了多层的纳米纤维素粒子;当在切割外力的作用下,超疏水磁性纳米纤维素粒子会迅速移动去“修复”暴露的液体弹珠液相界面,形成新的超疏水磁性纳米纤维素粒子覆盖层,超疏水磁性纳米纤维素液体弹珠可被分割时成若干个小的液体弹珠,液体弹珠具有自修复性能,这为磁场力作用下安全移动液体弹珠创造有利条件;在正己烷水溶液中,超疏水磁性纤维素液体弹珠可被磁场力进行操控,而且形态相对稳定且不破裂,从而达到油水分离的效果;与利用亲水性磁性Fe3O4纳米粒子分离油水方法相比,超疏水磁性纳米纤维素液体弹珠表现出更好的油水分离效果。