[发明专利]一种纤维素复合氧化硅超疏水材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种纤维素复合氧化硅超疏水材料及其制备方法，属于超疏水材料领域，通过低温等离子体预处理不同表面形貌结构的纤维素基底，然后利用低温等离子体增强化学气相沉积技术在基底上沉积初步氧化硅层，再通过低温等离子体修饰上述沉积的氧化硅层，最后再次沉积氧化硅层，从而在纤维素基底上制备得到微纳结构超疏水表面，得到纤维素复合氧化硅超疏水材料，是一种环境友好型生物基疏水材料。本发明得到的纤维素复合氧化硅超疏水材料对4～80℃的水均具超疏效果，水接触角大于150°，水滚动角小于6°，且其工艺简单、性能稳定、安全高效、成本较低，可广泛应用于包装、餐具、防污等领域。

技术领域

本发明涉及超疏水材料领域，特别是涉及一种纤维素复合氧化硅超疏水材料及其制备方法。

背景技术

疏水材料有特殊表面润湿性，对水和茶、果汁、碳酸类饮料等液体均具有较大接触角和较低滚动角。尤其是超疏水材料，常具防水、防冰、防污自清洁或流体减阻等功能，可广泛应用于表面防护、医疗器械、显示屏、纺织以及产品包装等领域。纤维素是自然界含量最为丰富的天然高分子材料，无毒无害、绿色环保，具有良好的加工性、机械性能、生物相容性和可降解性，是非常具有潜力的石油化工产品替代物。但纯纤维素类材料渗透性较大，有相对较强的水蒸气、氧气、二氧化碳和氮气透过性，易吸湿吸油且抗冲击性和热稳定性均较差。因此，随着全球范围内掀起的环保大潮，将纤维素类基材进行疏水改性获得超疏水材料，既可缓解资源矛盾、又是环境友好型生物基材料成为新材料首选。作为可持续生物质材料的“生力军”，市场空间巨大。

依据仿生学理论，获得超疏水表面特性主要通过两种途径：一是在常规基底表面修饰表面能相对较低的物质，如氟碳类、有机硅类、烃类化合物以及氧化锌、二氧化钛等金属氧化物；二是在低表面能基底表面构造粗糙的微纳层级结构。依据这些原理，目前常见超疏水材料制备技术和工艺主要有：光刻技术、等离子体刻蚀技术、微纳增材制造技术、涂布法、模板法、自组装法、沉积法、静电纺丝法、纳米压印和铸造法等，这些方法大部分是以玻璃、金属或常规稳定性聚合物为基底，不适合热稳定性不佳的生物质材料，同时存在耗时较长，操作过程繁复，成本较高等问题。而低温等离子体增强化学气相沉积氧化硅技术的操作方法灵活、工艺重复性好，制备的氧化硅薄膜杂质少、阻隔性高、透明度好、化学性能稳定，可通过改变前驱体和气体混合物来精确控制镀层及修饰镀层；尤其能满足在较低温度下的制备需求，减少材料热损伤，这对于温度相对敏感的纤维素基底而言非常重要。因此，作为一种高效、低成本、清洁环保的超疏水材料方面表面改性方法，低温等离子体增强化学气相沉积氧化硅技术应用前景非常广阔。

发明内容

本发明的目的是提供一种纤维素复合氧化硅超疏水材料的制备方法，以解决上述现有技术存在的问题，该纤维素复合氧化硅超疏水材料的制备工艺简单、安全高效、成本较低，可大幅度提高原纤维素基底的疏水性和阻隔性。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种纤维素复合氧化硅超疏水材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备纸、纸板或薄膜基底形式的纤维素基底材料；

(2)采用低温等离子体预处理纤维素基底材料；

(3)采用低温等离子体增强化学气相沉积技术在预处理后的纤维素基底材料上沉积200～1200nm初步氧化硅层；

(4)去除步骤(3)中残余反应物后，采用低温等离子体修饰沉积的初步氧化硅层；

(5)在修饰后的初步氧化硅层上采用低温等离子体增强化学气相沉积技术再次沉积40～160nm氧化硅层，最终形成微纳结构超疏水表面。

进一步地，步骤(1)中所述纤维素基底材料为针叶木纤维素基底、阔叶木纤维素基底、竹类纤维素基底或禾草类纤维素基底；