雜化殼聚糖氣凝膠的制備及其疏水改性

唐偉 劉志研 李耀 廖佩珊 馬睿

摘 ?要：以殼聚糖為骨架材料，水為溶劑，摻雜鋰皂石/氧化石墨烯復(fù)合物，采用溶膠凝膠、冷凍干燥法制備了雜化殼聚糖氣凝膠，接著采用六甲基二硅胺烷對氣凝膠進(jìn)行疏水改性。結(jié)果表明：當(dāng)復(fù)合物摻雜含量為20%時(shí)，氣凝膠比表面積達(dá)到84m2/g;SEM測試結(jié)果表明，樣品呈現(xiàn)出顯著的疏松多孔結(jié)構(gòu);熱重測試表明，隨著復(fù)合物摻雜量增加，氣凝膠的起始分解溫度提高，熱穩(wěn)定性增強(qiáng);接觸角測定分析表明，HMDS疏水改性氣凝膠與水的接觸角為124°，表現(xiàn)出良好的疏水性。

關(guān)鍵詞：殼聚糖;氣凝膠;疏水改性

中圖分類號：TQ427.26 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2019）15-0010-02

Abstract： Hybrid chitosan aerogels were prepared by sol-gel and freeze-drying method using chitosan as skeleton material and water as solvent. The hybrid aerogels were prepared by sol-gel and freeze-drying method. Then， Hexamethyldisilazane（HMDS） was used to modify the aerogels. The results showed that when the composite content was 20%， the specific surface area of aerogel reached 84 m2/g; the SEM test results showed that the sample showed a significant porous structure; thermogravimetric analysis showed that the initial decomposition temperature of aerogel increased and the thermal stability increased with the increase of dopant content; the contact angle analysis showed that the contact angle of HMDS modified aerogel with water was 124 degrees， showing good hydrophobicity.

Keywords： chitosan; aerogels; hydrophobic modification

氣凝膠是一種結(jié)構(gòu)特殊的納米材料，具有許多特殊的物理、化學(xué)性質(zhì)，在眾多方面有著廣泛的應(yīng)用或潛在的應(yīng)用前景，因此在催化劑負(fù)載、醫(yī)用生物材料、選擇性吸附材料、過濾材料和模板材料等方面具有巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值[1]。殼聚糖，是世界上最豐富、廉價(jià)的生物聚合物之一，具有良好的生物相容性和降解性，存在分子內(nèi)氫鍵和分子間氫鍵，可作為一種理想的吸附劑去除廢水污染物等[2-3]。氧化石墨烯具有大的比表面積和高的粒子交換能力，能與很多化學(xué)基團(tuán)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，與聚合物相互作用，吸收應(yīng)力斷裂產(chǎn)生的能量，從而提高氧化石墨烯復(fù)合材料的熱學(xué)、力學(xué)等綜合性能[4-6]。鋰皂石，是屬于蒙皂石族（Smecitte）的一種礦物，其凝膠性能優(yōu)越，在各種分散相中呈現(xiàn)出良好的觸變性、增稠性、懸浮性、化學(xué)穩(wěn)定性、交換性、吸附性等性能，被廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域[7-9]。

本文通過靜電相互作用使得改性多孔礦物和氧化石墨發(fā)生自組裝復(fù)合，通過溶膠-凝膠、冷凍干燥法成功制備了雜化氣凝膠，并對雜化氣凝膠進(jìn)行了表面疏水改性，同時(shí)對各階段的產(chǎn)物進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析與表征。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑

殼聚糖由麥克林公司提供，鋰皂石由英國洛克伍德公司提供，無水乙醇、3-氨丙基三乙氧基硅烷（APTES）、六甲基二硅胺烷（HMDS）、鱗片石墨等為分析純，由國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司提供，戊二醛，由天津市福晨化學(xué)試劑廠提供，去離子水由實(shí)驗(yàn)室自制。

1.2 樣品的制備

用3-氨丙基三乙氧基硅烷（APTES）有機(jī)改性鋰皂石（Laponite RD），以鱗片石墨為原料，用改進(jìn)后的Hummers法制備氧化石墨烯，利用靜電相互作用使得二者發(fā)生自組裝復(fù)合。將鋰皂石/氧化石墨烯復(fù)合物加入殼聚糖溶液（5g/L）混合成溶液，加入戊二醛形成水凝膠，靜置待凝膠結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。一部分凝膠用液氮冷凍，并置于冷凍干燥機(jī)中干燥得到0%-20%摻雜量的雜化殼聚糖氣凝膠;另一部分凝膠放入10%-50%的HMDS/正己烷的溶液中浸泡改性，之后用乙醇、去離子水清洗并冷凍干燥，得到表面疏水改性的氣凝膠。

1.3 測試及表征

采用Nicolet AVATAR360傅立葉變換紅外光譜儀測定紅外;采用SU8010型場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察形貌;采用金埃譜科技公司V-Sorb 2800P型比表面積及孔徑測試儀測試比表面積及孔容孔徑;采用STA 409 PC綜合熱分析儀測試熱性能;采用SL200-BCA型接觸角儀測試接觸角。

2 結(jié)果與討論

雜化氣凝膠的表征：

根據(jù)BET測試結(jié)果，氣凝膠的比表面積和孔容隨著RD/GO含量的升高呈增大趨勢，到20%達(dá)到最高，為84m2/g，平均孔徑基本不變，殼聚糖分子鏈上存在大量的游離氨基和羧基，這些基團(tuán)與復(fù)合物表面的羥基結(jié)合，其他基團(tuán)容易通過離子交換以及范德華力吸附在RD/GO復(fù)合物的內(nèi)外片層表面，使復(fù)合材料的比表面積和孔隙有所增加，但是過量的復(fù)合物與殼聚糖結(jié)合后導(dǎo)致結(jié)構(gòu)堵塞，比表面積減小。

氣凝膠材料在室溫至900℃區(qū)間主要有兩個(gè)分解溫度：第一個(gè)失重階段發(fā)生在室溫～100℃范圍內(nèi)，主要原因是由于樣品表面或內(nèi)部殘存的水分揮發(fā);第二個(gè)失重發(fā)生在280～550℃范圍內(nèi)，主要原因?yàn)闅ぞ厶堑姆纸?，氣凝膠分子鏈的斷裂。隨著復(fù)合物摻雜含量的增加，第二個(gè)階段的起始溫度有所增加，這可能是因?yàn)閺?fù)合物與殼聚糖分子鏈之間形成了增強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)甚至互穿的結(jié)構(gòu)，另外復(fù)合物中的氧化石墨烯本身具有優(yōu)異的熱學(xué)性能，二者協(xié)同作用，提高了雜化氣凝膠的熱穩(wěn)定性。

由于靜電力、氫鍵、范德華力、納米粒子的高比表面積和高比表面引起的高吸附能力的相互作用，導(dǎo)致表面包覆有相對均勻的氣凝膠層，使得復(fù)合物與殼聚糖的結(jié)合相對較為牢固。該氣凝膠具有疏松多孔的結(jié)構(gòu)，孔隙率較高，復(fù)合物完全嵌入到殼聚糖表面，SEM上看不到明顯的復(fù)合物，這種結(jié)構(gòu)有利于大分子進(jìn)入吸附劑內(nèi)部，從而提高凝膠的吸附能力。

經(jīng)過紅外測試發(fā)現(xiàn)，改性后的雜化氣凝膠中的羥基峰明顯減弱幾乎消失，而出現(xiàn)了-CH3和-NH2的伸縮振動峰與彎曲振動峰，表明經(jīng)過表面改性后凝膠骨架以及表面的部分-OH基團(tuán)被-CH3基團(tuán)取代，這與疏水接觸角的測試結(jié)果相符，說明我們的表面疏水改性是成功的。

當(dāng)HMDS的使用量為30%時(shí)，樣品的接觸角增加到119°。繼續(xù)增加用量到50%，接觸角達(dá)到124°。表明HMDS具有不錯的疏水改性作用。

對改性后樣品進(jìn)行比表面積的測定，發(fā)現(xiàn)改性劑加入量越多，羥基取代越完全，疏水性越好，干燥過程發(fā)生坍塌的可能越小，孔隙收縮減小，從而密度越小，比表面積增加。但是由于改性發(fā)生在溶膠-凝膠反應(yīng)之后，此時(shí)凝膠的骨架結(jié)構(gòu)已經(jīng)基本形成，而改性反應(yīng)的實(shí)質(zhì)是改性劑與骨架上剩余的羥基反應(yīng)，不會對整體的硅氧骨架產(chǎn)生影響，所以改性劑的濃度對氣凝膠樣品的密度和孔隙率影響不大。而且當(dāng)改性劑的量達(dá)到40%后，改性反應(yīng)結(jié)束后殘余的改性劑分子殘留在氣凝膠骨架和表面上，堵塞了部分空隙使得比表面積下降。

3 結(jié)論

（1）利用靜電相互作用使得改性多孔礦物和氧化石墨發(fā)生自組裝復(fù)合，通過溶膠-凝膠、冷凍干燥法成功制備了雜化殼聚糖氣凝膠，探究復(fù)合物含量對氣凝膠比表面積、熱學(xué)性能等的影響。

（2）以HMDS為疏水改性劑，利用浸漬、溶劑交換法對雜化氣凝膠進(jìn)行表面疏水改性，當(dāng)HMDS用量為50%時(shí)，接觸角達(dá)到124°，同時(shí)通過BET測試發(fā)現(xiàn)改性氣凝膠的比表面積有所增加，孔容孔徑略微減小。

綜上，我們利用溶膠-凝膠、冷凍干燥法成功制備出氧化石墨烯/鋰皂石/殼聚糖復(fù)合材料，并對其進(jìn)行表面疏水改性，從而提高氣凝膠材料的應(yīng)用范圍，使其在染料、油污的吸附以及油水分離吸附方面的應(yīng)用具有一定的實(shí)際意義，具有較好的工業(yè)應(yīng)用前景。

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