一種基于羽毛改性的表面親水性纖維及其制備方法與流程

本發明涉及一種具有特殊浸潤性天然高分子材料的制備方法，尤其涉及一種基于廢棄羽毛的表面親水性纖維的制備方法，屬于功能材料技術領域。

背景技術：

隨著材料科學的發展，基于特殊潤濕性材料的研究受到關注，如：表面超親水、超疏水、超親油、超疏油、超雙親、超雙疏等材料，并在自清潔表面、防霧涂層、防污涂層、防指紋涂層、微液滴傳遞技術、油水分離等領域正在或即將獲得應用。近年來，發現通過改性等方法，研究了很多親水性及特殊浸潤性材料。如：發明cn201510698160.2中提供一種新的自潤滑親水涂料，解決涂料體系存在的熱傳導效率較低，親水性較低的問題。cn201510030697.1發明中采用一步水熱法制備了用氟硅烷修飾tio2膜層，使其具有微納結構，提供了一種具有紫外防護和耐水洗的特殊浸潤性功能表面的構筑方法，從而解決制備超疏水自清潔表面操作工藝復雜、穩定性差、膜層形貌不可控的問題。cn201510968274.4中發明了一種集成兩種特殊浸潤性材料的t型油水分離設備，從而解決了液層阻礙問題，實現了連續、高效、高通量的油水分離。當然，如何降低成本、提高環境友好性能尚未受到足夠重視。

羽毛是禽類的表皮細胞生長出來的一種角質化產物，其中含有角蛋白，蛋白鏈之間的二硫鍵使其具有剛性結構，這種剛性結構很難使羽毛具有親水性。因此，難以將羽毛作為親水材料使用。羽毛作為天然高分子材料，具有可再生、易獲得及儲量豐富等特點，因此，從廢棄生物質資源再利用角度出發，已有相關研究報道：如：從羽毛中提取角蛋白后，可用于環境敏感的水凝膠（cn201510299512.7，cn201510621974.6）；將羽毛與其他生物質混合紡絲制備成復合纖維材料用于紡織領域（cn201410141073.2）等等。羽毛角蛋白也可以用于制備外敷材料（cn201610378592.x，cn201610378278.1）、羽毛角蛋白修飾光催化劑（201510070774.6）等。但是，由于羽毛纖維疏水親油的特點，使其應用受到限制。目前，將羽毛經過改性成具有特殊浸潤性材料的研究未見報道。

技術實現要素：

本發明目的是提供一種基于廢棄羽毛的表面親水性纖維的制備方法。

一、基于羽毛纖維的表面親水性材料的制備

本發明表面親水性纖維材料的制備，是基于羽毛疏水親油的特點，將其改性為表面親水性材料。具體方法如下：

將廢棄的羽毛纖維洗凈后，浸于溶解有還原劑和保護劑的水溶液中，在震搖下升溫至50~85℃，繼續震搖20~90分鐘；再加入改性劑和分散劑，繼續震搖1~5h；然后冷卻至室溫，取出羽毛纖維，用蒸餾水沖洗，干燥，得到表面改性的羽毛纖維。

所述廢棄的羽毛纖維是指來源于養雞場或農貿市場中廢棄的雞毛、鴨毛及其他家禽羽毛，將收集的廢棄羽毛經過清洗、晾干后，剪切為形貌相對規整的羽毛纖維。

所述還原劑為亞硫酸鈉、亞硫酸氫鈉、硫化鈉中的任意一種或兩種，還原劑加入量為羽毛纖維質量的0.1~0.25倍。

所述保護劑為月桂醇硫酸鈉、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸酯鹽、脂肪醇硫酸酯單乙醇胺鹽中的任意一種或兩種，保護劑加入量為羽毛纖維質量的0.1~0.15倍

所述改性劑為硅烷偶聯劑kh570或氯甲基乙烯基二甲基硅烷，改性劑加入量為羽毛纖維質量的1~1.2倍。

所述分散劑為乙醇或甲醇，分散劑加入量為5~10ml/g羽毛纖維。

所述干燥是在50℃~80℃下真空干燥6~12小時。

二、表面親水化改性的羽毛纖維結構表征

通過掃描電子顯微鏡觀察表面親水化改性羽毛纖維的外觀形貌，通過紅外光譜考察了其功能基團的變化，說明親水性能的有效提高使羽毛纖維的親油性能被掩蓋，從而具有水下疏油的特殊浸潤性能。

1、掃描電鏡

圖1為表面親水化改性羽毛纖維的掃描電鏡。可以明顯看出，改性后的羽毛纖維表面（b）出現一層包裹物而明顯變得粗糙，而未改性的羽毛纖維表面（a）相對光滑平整。另外，觀察羽毛纖維在表面改性前后的外觀形貌，發現羽毛纖維保持了原來的外觀，說明表面改性不破壞整體形貌。

2、紅外圖譜

圖2為表面親水化改性的羽毛纖維的紅外吸收光譜。其中，在1650cm^-1、1528cm^-1、1232cm^-1附近出現了蛋白的特征吸收峰（酰胺i、ii、iii帶），說明蛋白質材料的基本構架得到保持。另外，3550~3750cm^-1的寬泛吸收帶和1200cm^-1附近的吸收峰分別代表改性后羽毛表面吸附水的o-h伸縮振動和彎曲振動，905cm^-1附近的吸收峰是si-oh的伸縮振動；在3280cm^-1附近可看到代表-ch2以及-ch3的c-h伸縮振動吸收峰變得很尖銳；670cm^-1處s-s鍵的特征吸收峰變得平緩，說明此官能團有所減少。由此說明成功將硅烷偶聯劑接枝到羽毛表面，從而使其含有大量的羥基。

三、表面親水化改性羽毛纖維的性能測試

1、空氣中與水的接觸角測試

圖3為親水化改性后羽毛纖維在空氣中與水的接觸角。由圖中可以看出，水滴在改性后的羽毛上呈現浸潤狀態，尤其是水滴在羽軸上幾乎平鋪。測得改性后的羽毛接觸角為25.35°，羽絨為74.11°，表現為親水性。這與未改性的羽毛纖維疏水性（接觸角羽軸134.70°；羽絨150.11°）完全不同。

2、水下與油的接觸角測試

實驗分別測試了親水性羽毛在水下對柴油和氯仿的接觸角，結果見圖4。改性羽毛在水下對柴油的接觸角為134.04°（圖4a），對氯仿油的接觸角為143.84°（圖4b）。表明改性羽毛具有水下疏油的特點，該性能可應用于微液滴傳遞技術、油水分離等領域。

3、油-水混合液中的特殊浸潤性能測試

測試了表面親水化改性羽毛纖維在油-水混合液中的特殊浸潤性能，并與未改性羽毛纖維進行對比。圖5a、5b為未改性羽毛纖維浸入油-水混合液的前后照片；圖5c、5d為表面親水化改性羽毛纖維浸入油-水混合液的前后照片，其中油相用深色染料標記。可以看出未改性羽毛浸入油-水混合液后，被深色標記染色，顏色較深。而表面親水化改性的羽毛纖維浸入油-水混合液后沒有被染色，說明表面親水化改性的羽毛纖維具有水下疏油的特殊浸潤性能，因此可作為浸潤材料應用于防油污、生物黏附等領域。

4、吸水性能測試

為了評價表面親水化改性羽毛纖維對水的吸附能力，進一步做了如下實驗：室溫下，取一定量的改性羽毛纖維，分別在30ml水中浸潤30分鐘，再靜置20分鐘，稱重，計算吸水倍率（g/g），測試改性羽毛對水的吸附能力，晾干，循環測定。

圖6為表面親水化改性羽毛纖維的吸水性能圖。可以看出，表面親水化改性羽毛纖維的吸水倍率約為7~9g/g，對比未改性羽毛（吸水倍率小于0.7g/g），表面親水化改性后羽毛的吸水性能顯著提高。因此，改性羽毛纖維可作為吸水材料應用于保水、保鮮及建筑防水等領域。

綜上所述，本發明以廢棄羽毛作為天然高分子材料，通過表面改性，在保持原有親油性能的基礎上使其具有了良好的親水性，從而使其有水下超疏油的特殊浸潤性，此類特殊浸潤性表面材料可應用于防霧涂層，防污涂層、防指紋涂層、微液滴傳遞技術、油水分離等領域。另外，改性后羽毛的親水性有很大提升，對水的吸附倍率可達10倍之多，遠遠超出未改性羽毛的吸水倍率。因此可作為吸水材料應用于保水、保鮮及建筑防水等領域。

附圖說明

圖1為表面親水化改性羽毛纖維（b）與未改性的羽毛纖維（a）的掃描電鏡圖。

圖2為表面親水化改性羽毛纖維的紅外吸收光譜圖。

圖3為表面親水化改性羽毛纖維在空氣中對水的接觸角。

圖4為表面親水化改性羽毛纖維在水下對油的接觸角。

圖5為改性前后羽毛在油-水混合液中的浸潤性能。

圖6為表面親水化改性羽毛纖維的吸水性能。

具體實施方式

下面通過具體實施例對本發明羽毛表面改性的親水性纖維的制備及其特殊浸潤性能做進一步說明。

實施例1

將1g洗凈的廢棄羽毛纖維，浸潤于50ml的水溶液中（含0.1g亞硫酸鈉和0.1g月桂醇硫酸鈉）；在震搖下將溶液緩慢升溫至50℃，在此溫度下繼續震搖1.5小時；然后加入1g硅烷偶聯劑kh570、10ml的甲醇，繼續在搖床中震搖3小時。冷卻至室溫后，取出羽毛纖維，用蒸餾水沖洗5~10次，70℃下真空干燥10小時，得到表面改性的羽毛纖維。

選取相同質量的未改性羽毛和改性羽毛，分別測試羽毛對水的吸附性能。結果表明未改性的羽毛吸水倍率為0.73g/g，改性后的羽毛吸水倍率為7.85g/g。

實施例2

將10g洗凈的廢棄羽毛纖維，浸潤于500ml水溶液中（含2.5g亞硫酸氫鈉和2.5g脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸酯鹽），在震搖下緩慢將溶液升溫至70℃，在此溫度下繼續震搖1小時；然后加入12g氯甲基乙烯基二甲基硅烷、150ml的乙醇，繼續在搖床中震搖2小時。冷卻至室溫后，取出表面改性的羽毛纖維，用蒸餾水沖洗5~10次，60℃下真空干燥12小時，得到表面改性的羽毛纖維。

選取相同質量的未改性羽毛和改性羽毛，分別測試羽毛對水的吸附性能。結果表明，未改性的羽毛吸水倍率為0.40g/g，改性后的羽毛吸水倍率為8.14g/g。

實施例3

將5g洗凈的廢棄羽毛纖維，浸潤于300ml（含1.0g硫化鈉和1.0g脂肪醇硫酸酯單乙醇胺鹽）水溶液中，在震搖下，將溶液緩慢升溫至65℃，在此溫度下繼續震搖80分鐘，然后加入5g硅烷偶聯劑kh570、30ml的乙醇，繼續在搖床中震搖3小時；冷卻至室溫后，取出表面改性的羽毛纖維，用蒸餾水沖洗5~10次，65℃下真空干燥10小時，得到表面改性的羽毛纖維。

選取相同質量的未改性羽毛和改性羽毛，分別測試羽毛對水的吸附性能。結果表明未改性的羽毛吸水倍率為0.25g/g，改性后的羽毛吸水倍率為7.81g/g。

實施例4

將3g洗凈的廢棄羽毛纖維，浸潤于100ml（含0.5g亞硫酸鈉-亞硫酸氫鈉復配物和0.2g月桂醇硫酸鈉）水溶液中，在震搖下，將溶液緩慢升溫至85℃，在此溫度下繼續震搖20分鐘；然后加入4g硅烷偶聯劑kh570、20ml甲醇，繼續在搖床中震搖1小時；冷卻至室溫后，取出表面改性的羽毛纖維，用蒸餾水沖洗5~10次，65℃下真空干燥12小時，得到表面改性的羽毛纖維。

選取相同質量的未改性羽毛和改性羽毛，分別測試羽毛對水的吸附性能。結果表明未改性的羽毛吸水倍率為0.39g/g，改性后的羽毛吸水倍率為7.80g/g。

實施例5

將8g洗凈的廢棄羽毛纖維，浸潤于400ml（含2g亞硫酸氫鈉-硫化鈉復配物和1g脂肪醇硫酸酯單乙醇胺鹽）水溶液中，在震搖下緩慢將溶液升溫至80℃，繼續震搖40分鐘；然后加入9g氯甲基乙烯基二甲基硅烷、40ml的乙醇，繼續在搖床中震搖3.5小時；冷卻至室溫后，取出表面改性的羽毛纖維，用蒸餾水沖洗5~10次，65℃下真空干燥12小時，得到表面改性的羽毛纖維。

選取相同質量的未改性羽毛和改性羽毛，分別測試羽毛對水的吸附性能。結果表明未改性的羽毛吸水倍率為0.15g/g，改性后的羽毛吸水倍率為7.30g/g。