一种基于点击化学的二氧化钛纳米管/棉织物光催化材料的制备方法

摘要

本发明涉及一种基于点击化学的二氧化钛纳米管/棉织物光催化材料的制备方法，包括预处理棉织物的合成，还原棉织物的合成，溴代盐酸多巴胺的合成，溴代二氧化钛纳米管的合成，基于点击化学的二氧化钛纳米管/棉织物光催化材料的合成。本发明的方法简单，成本低，条件温和，产物收率高，副反应少，环保；本发明制备得到的基于点击化学的二氧化钛纳米管/棉织物光催化材料吸附效率高，稳定性好，具有良好的光催化效果和优异的环保性，可以用于印染废水中染料的处理，拓宽了棉织物在光催化吸附染料废水方面的应用。

说明书

技术领域

本发明属于纺织品改性领域，特别涉及一种基于点击化学的二氧化钛纳米管/棉织物光催化材料的制备方法。

背景技术

纺织品功能化是纺织领域近年来的研究热点，通过引入功能性的有机或无机纳米结构材料赋予纤维或者纺织品一定的功能性，尤其在光催化、甲醛降解、自清洁、抗菌等性能方面的研究近年来发展迅速。通常，纺织品的功能化不仅可以通过新兴的生产技术和原材料制得，而且还可以通过纺织品改性的新途径来实现。通过加入功能性添加剂(有机或无机纳米结构材料)改性纺织品是最重要的方法之一。在众多功能性添加剂中，一种光催化剂能在光参与下，与其表面吸附物之间发生光反应和氧化还原反应，成为纺织品功能化研究中较有前景的材料。

光催化材料作为一类非常有潜质的新型功能性材料，近年来成为材料科学研究领域中的热门课题。纳米二氧化钛由于尺寸小，比表面积大，表面的键态与颗粒内部的不同，表面原子配位不全等，导致表面的活性位置增多，形成了凹凸不平的原子台阶，加大了反应接触面。纳米二氧化钛光催化技术工艺简单，成本低廉，在常温常压下就可氧化分解结构稳定的有机物，无二次污染、无毒、无刺激性、耐热性好，因而光催化在处理废气、废水等领域具有广阔的应用前景。例如：申请号为200910055165.8的专利公开了一种系列改性纳米二氧化钛光触媒织物整理剂及制备方法，它通过将改性纳米二氧化钛溶胶与交联剂混合搅拌得到系列改性纳米二氧化钛光触媒整理剂，再加入其它助剂及催化剂搅拌混合即得产品。经整理后赋予了纺织品光催化降解有机挥发物的性能，还兼有防紫外和抗菌防霉除臭等复合多功能。但该方法制备的改性纳米二氧化钛光触媒织物存在制备工艺复杂，耐久性差，光触媒使纤维材料劣化等问题。专利申请号201210398660.0公开了一种高光催化活性纳米二氧化钛涤纶纤维改性的方法，该发明通过直接在涤纶纤维表面负载金属离子并掺杂锐钛矿相纳米二氧化钛薄膜，使得改性后的涤纶纤维不仅具有良好的光催化效率、同时扩大了光谱响应范围，而且改善了涤纶纤维的自清洁的能力。但该方法所制备的高光催化活性纳米二氧化钛涤纶纤维成本高昂，工艺复杂，同时掺杂的锐钛矿相纳米二氧化钛容易流失，后续分离和回收比较困难。专利申请号201510756694.6公开了一种用于处理印染废水的织物及其制备方法，其特征在于通过在涤纶织物表面负载一层纳米二氧化钛层，增大了二氧化钛与废水的接触面积，提高了废水处理的效率。但采用该技术制得的织物比较突出的问题是纳米二氧化钛粉体材料仍然容易团聚，导致光催化活性降低，并且纳米二氧化钛回收非常困难使其发展受到一定的限制。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于点击化学的二氧化钛纳米管/棉织物光催化材料的制备方法，该方法简单，条件温和，制备得到的基于点击化学的二氧化钛纳米管/棉织物光催化材料吸附效率高。

本发明的一种基于点击化学的二氧化钛纳米管/棉织物光催化材料的制备方法，具体步骤如下:

(1)将棉织物预处理，得到预处理棉织物；

(2)将还原剂溶于溶剂中形成还原剂溶液，搅拌，将步骤(1)中的预处理棉织物浸入还原剂溶液中，干燥，得到还原棉织物，其中还原剂溶液的浓度为0.01-0.05g/ml，还原剂与预处理棉织物的质量比为1:1-3:1；

(3)将二氧化钛纳米管溶于溶剂中形成溶液，超声，避光搅拌，加入溴代盐酸多巴胺，避光继续搅拌，洗涤，干燥，得到溴代二氧化钛纳米管，其中二氧化钛纳米管溶液浓度为0.6-2.4mg/ml，二氧化钛纳米管与溴代盐酸多巴胺的质量比为0.5:1-2:1；

(4)将步骤(3)中的溴代二氧化钛纳米管溶于溶剂中形成溶液，将步骤(2)中的还原棉织物浸入溶液中，加入三乙胺，搅拌，干燥，得到基于点击化学的二氧化钛纳米管/棉织物光催化材料，其中还原棉织物、溴代二氧化钛纳米管、溶剂、三乙胺的比例为(0.5-2g):(1.0-3.0g):(30-50ml):(0.2-1ml)。

所述步骤(1)中将棉织物预处理的具体步骤：将氢氧化钠和平平加O以质量比为1:1-1:4溶于水中形成混合溶液，将棉织物置于混合溶液中，在温度为50-80℃条件下超声10-30min，得到预处理棉织物，其中棉织物和氢氧化钠的质量比为1:1-4:1，混合溶液中氢氧化钠的浓度为3-8g/l。

所述步骤(2)中还原剂为硅烷偶联剂；溶剂为体积比为4:1的乙醇和水。

所述步骤(2)中还原剂溶液的pH值为3-4，用pH值为2.0的硼酸溶液调节。

所述步骤(2)中搅拌时间为0.5-1h，搅拌温度为20-30℃；浸入时间为1-5min。

所述步骤(2)中干燥是在真空烘箱中进行，干燥时间为5-10min，干燥温度为100-130℃。

所述步骤(3)中溴代盐酸多巴胺的制备方法为：将十水硼酸钠溶于水，在N₂环境下加入盐酸多巴胺形成混合溶液，搅拌10-30min，在温度为-5-0℃冰水浴条件下逐滴加入2-溴异丁酰溴，时间为20-40min，N₂环境下继续搅拌18-24h，反应过程中pH值为9-10，加入盐酸溶液，萃取，干燥，分离，得到溴代盐酸多巴胺，其中十水硼酸钠溶液的浓度为0.01-0.075g/ml，十水硼酸钠与盐酸多巴胺的质量比为1:1-4:1，十水硼酸钠与2-溴异丁酰溴的比为2g:1.5ml-6g:1.0ml。

所述混合溶液的pH值为9-10；盐酸溶液的浓度为5-8mol/l。

所述萃取为乙酸乙酯萃取，萃取次数为三次；干燥为无水硫酸镁干燥，干燥时间为12-15h。

所述步骤(3)中溶剂为体积比为2:1-8:1的乙醇和去离子水；超声时间为1-2h。

所述步骤(3)避光搅拌时间为2-4h；避光继续搅拌时间为15-20h。

所述步骤(3)中洗涤为依次用去离子水和乙醇洗涤。

所述步骤(3)干燥是在真空烘箱中进行，干燥时间为20-30h，干燥温度为40-60℃。

所述步骤(4)中溶剂为体积比为1:1的乙醇和水。

所述步骤(4)中搅拌的时间为1-2h，搅拌的温度为20-30℃。

所述步骤(4)中干燥是在真空烘箱中进行，干燥温度为40-60℃。

所述步骤(4)中基于点击化学的二氧化钛纳米管/棉织物光催化材料用于吸附印染废水中的染料。

本发明的一种基于点击化学的二氧化钛纳米管/棉织物光催化材料的制备方法，首先使用硅烷偶联剂作为还原剂在预处理棉织物的表面产生硫醇基团得到还原棉织物，然后采用脱水缩合的方式将溴代盐酸多巴胺接枝到二氧化钛纳米管表面得到溴代二氧化钛纳米管，最后利用点击化学的方法将溴代二氧化钛纳米管与还原棉织物以硫醇-卤素形成共价键，使溴代二氧化钛纳米管负载在还原棉织物的表面。

有益效果

(1)本发明的方法简单，成本低，条件温和，产物收率高，副反应少，环保；

(2)本发明制备得到的基于点击化学的二氧化钛纳米管/棉织物光催化材料吸附效率高，稳定性好，具有良好的光催化效果和优异的环保性，可以用于印染废水中染料的处理，拓宽了棉织物在光催化吸附染料废水方面的应用，突破了传统涂层负载二氧化钛纳米管光催化吸附类织物的不足，克服了现有技术中所存在的纳米二氧化钛粉体材料容易团聚且回收困难的问题。

附图说明

图1为本发明中溴代二氧化钛纳米管的工艺流程图；

图2为本发明中还原棉织物的工艺流程图；

图3为本发明中合成的溴代二氧化钛纳米管与还原棉织物通过点击化学反应的工艺流程图；

图4为实施例5中利用紫外分光光度计测试(a)实施例1中基于点击化学的二氧化钛纳米管/棉织物光催化材料和(b)二氧化钛纳米管的吸附效果图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明实施例中，使用的棉织物购自中国三元控股集团有限公司，所用的硅烷偶联剂购自荷兰阿达马斯试剂有限公司，所用的二氧化钛纳米管购自广东惠州笃行纳米材料有限公司，所用的2-溴异丁酰溴(98％)购自北京伊诺凯科技有限公司。实验中使用的其他化学品均购自国药化学试剂有限公司。所有试剂均是分析纯，在使用过程中无需进一步提纯。

实施例1

(1)将0.5g氢氧化钠和0.7g平平加O溶于100ml水中形成混合溶液，将1g棉织物(6cm×6cm)置于混合溶液中，70℃水浴条件下超声波清洗20min，去除织物表面的油污，得到预处理棉织物。

(2)将2g硅烷偶联剂溶于50ml体积比为4:1的乙醇和水中形成溶液，用pH值为2.0的硼酸溶液调节溶液的pH值至3-4，在25℃条件下搅拌30min，将步骤(1)中的预处理棉织物0.98g浸入该溶液中2min，置于120℃真空烘箱中烘5min，得到还原棉织物。

(3)在250mL三颈烧瓶中加入4g十水硼酸钠和100ml水形成溶液，用N₂吹扫30min，再加入1.9g盐酸多巴胺，按100转每分钟的速率搅拌15min，并调节反应液pH为9-10，将所得的溶液在0℃冰水浴中冷却，30min内向瓶中逐滴加入1.2ml>2环境下100转每分钟的速率继续搅拌24h，反应过程保持pH维持在9-10，反应结束后，加入浓度为6mol/l的盐酸溶液调节溶液的pH值为2，用100ml乙酸乙酯萃取三次，合并有机相，加入无水MgSO₄干燥12h，之后旋转蒸发除去乙酸乙酯，得到棕色粘稠液体，对棕色粘稠粗产物进行柱层析分离，利用甲醇和三氯甲烷混合溶液作为展开剂，其中甲醇的体积百分数为5％，得到溴代盐酸多巴胺。

(4)称取50mg二氧化钛纳米管于100mL单口烧瓶中，加入8ml去离子水和32ml乙醇，超声1h，常温避光按100转每分钟的速率搅拌3h，加入步骤(3)中的溴代盐酸多巴胺40mg，在常温避光下按100转每分钟的速率继续搅拌18h，然后用去离子水和乙醇反复清洗去离子水所得沉淀，用50℃真空烘箱干燥24h，得到溴代二氧化钛纳米管。

(5)将1g步骤(4)中的溴代二氧化钛纳米管溶于30ml体积比为1:1的乙醇和水中形成溶液，将步骤(2)中的还原棉织物0.95g浸入溶液中，加入0.3ml三乙胺，30℃水浴条件下加热搅拌1h，置于50℃真空烘箱中烘干，得到基于点击化学的二氧化钛纳米管/棉织物光催化材料。

实施例2

(1)将0.5g氢氧化钠和0.7g平平加O溶于100ml水中形成混合溶液，将1g棉织物(6cm×6cm)置于混合溶液中，70℃水浴条件下超声波清洗20min，去除织物表面的油污，得到预处理棉织物。

(2)将2g硅烷偶联剂溶于50ml体积比为4:1的乙醇和水中形成溶液，用pH值为2.0的硼酸溶液调节溶液的pH值至3-4，在25℃条件下搅拌30min，将步骤(1)中的预处理棉织物0.98g浸入该溶液中2min，置于120℃真空烘箱中烘5min，得到还原棉织物。

(3)在250mL三颈烧瓶中加入4g十水硼酸钠和100ml水形成溶液，用N₂吹扫30min，再加入1.9g盐酸多巴胺，按100转每分钟的速率搅拌15min，并调节反应液pH为9-10，将所得的溶液在0℃冰水浴中冷却，30min内向瓶中逐滴加入1.2ml>2环境下100转每分钟的速率继续搅拌24h，反应过程保持pH维持在9-10，反应结束后，加入浓度为6mol/l的盐酸溶液调节溶液的pH值为2，用100ml乙酸乙酯萃取三次，合并有机相，加入无水MgSO₄干燥12h，之后旋转蒸发除去乙酸乙酯，得到棕色粘稠液体，对棕色粘稠粗产物进行柱层析分离，利用甲醇和三氯甲烷混合溶液作为展开剂，其中甲醇的体积百分数为5％，得到溴代盐酸多巴胺。

(4)称取100mg二氧化钛纳米管于100mL单口烧瓶中，加入16ml去离子水和64ml乙醇，超声1h，常温避光按100转每分钟的速率搅拌3h，加入步骤(3)中的溴代盐酸多巴胺80mg，在常温避光下按100转每分钟的速率继续搅拌18h，然后用去离子水和乙醇反复清洗去离子水所得沉淀，用50℃真空烘箱干燥24h，得到溴代二氧化钛纳米管。

(5)将2g步骤(4)中的溴代二氧化钛纳米管溶于50ml体积比为1:1的乙醇和水中形成溶液，将步骤(2)中的还原棉织物0.95g浸入溶液中，加入0.5ml三乙胺，30℃水浴条件下加热搅拌1h，置于50℃真空烘箱中烘干，得到基于点击化学的二氧化钛纳米管/棉织物光催化材料。

实施例3

(1)将0.5g氢氧化钠和0.7g平平加O溶于100ml水中形成混合溶液，将1g棉织物(6cm×6cm)置于混合溶液中，70℃水浴条件下超声波清洗20min，去除织物表面的油污，得到预处理棉织物。

(2)将1.25g硅烷偶联剂溶于30ml体积比为4:1的乙醇和水中形成溶液，用pH值为2.0的硼酸溶液调节溶液的pH值至3-4，在25℃条件下搅拌30min，将步骤(1)中的预处理棉织物0.98g浸入该溶液中4min，置于120℃真空烘箱中烘5min，得到还原棉织物。

(3)在250mL三颈烧瓶中加入4g十水硼酸钠和100ml水形成溶液，用N₂吹扫30min，再加入1.9g盐酸多巴胺，按100转每分钟的速率搅拌15min，并调节反应液pH为9-10，将所得的溶液在0℃冰水浴中冷却，30min内向瓶中逐滴加入1.2ml>2环境下100转每分钟的速率继续搅拌24h，反应过程保持pH维持在9-10，反应结束后，加入浓度为6mol/l的盐酸溶液调节溶液的pH值为2，用100ml乙酸乙酯萃取三次，合并有机相，加入无水MgSO₄干燥12h，之后旋转蒸发除去乙酸乙酯，得到棕色粘稠液体，对棕色粘稠粗产物进行柱层析分离，利用甲醇和三氯甲烷混合溶液作为展开剂，其中甲醇的体积百分数为5％，得到溴代盐酸多巴胺。

(4)称取50mg二氧化钛纳米管于100mL单口烧瓶中，加入8ml去离子水和32ml乙醇，超声1h，常温避光按100转每分钟的速率搅拌3h，加入步骤(3)中的溴代盐酸多巴胺40mg，在常温避光下按100转每分钟的速率继续搅拌18h，然后用去离子水和乙醇反复清洗去离子水所得沉淀，用50℃真空烘箱干燥24h，得到溴代二氧化钛纳米管。

(5)将1g步骤(4)中的溴代二氧化钛纳米管溶于30ml体积比为1:1的乙醇和水中形成溶液，将步骤(2)中的还原棉织物0.96g浸入溶液中，加入0.3ml三乙胺，30℃水浴条件下加热搅拌1h，置于50℃真空烘箱中烘干，得到基于点击化学的二氧化钛纳米管/棉织物光催化材料。

实施例4

(1)将0.5g氢氧化钠和0.7g平平加O溶于100ml水中形成混合溶液，将1g棉织物(6cm×6cm)置于混合溶液中，70℃水浴条件下超声波清洗20min，去除织物表面的油污，得到预处理棉织物。

(2)将2g硅烷偶联剂溶于50ml体积比为4:1的乙醇和水中形成溶液，用pH值为2.0的硼酸溶液调节溶液的pH值至3-4，在25℃条件下搅拌30min，将步骤(1)中的预处理棉织物0.98g浸入该溶液中2min，置于120℃真空烘箱中烘5min，得到还原棉织物。

(3)在250mL三颈烧瓶中加入4g十水硼酸钠和100ml水形成溶液，用N₂吹扫30min，再加入1.9g盐酸多巴胺，按100转每分钟的速率搅拌15min，并调节反应液pH为9-10，将所得的溶液在0℃冰水浴中冷却，30min内向瓶中逐滴加入1.2ml>2环境下100转每分钟的速率继续搅拌24h，反应过程保持pH维持在9-10，反应结束后，加入浓度为6mol/l的盐酸溶液调节溶液的pH值为2，用100ml乙酸乙酯萃取三次，合并有机相，加入无水MgSO₄干燥12h，之后旋转蒸发除去乙酸乙酯，得到棕色粘稠液体，对棕色粘稠粗产物进行柱层析分离，利用甲醇和三氯甲烷混合溶液作为展开剂，其中甲醇的体积百分数为5％，得到溴代盐酸多巴胺。

(4)称取50mg二氧化钛纳米管于100mL单口烧瓶中，加入8ml去离子水和32ml乙醇，超声1h，常温避光按100转每分钟的速率搅拌3h，加入步骤(3)中的溴代盐酸多巴胺40mg，在常温避光下按100转每分钟的速率继续搅拌18h，然后用去离子水和乙醇反复清洗去离子水所得沉淀，用50℃真空烘箱干燥24h，得到溴代二氧化钛纳米管。

(5)将1g步骤(4)中的溴代二氧化钛纳米管溶于50ml体积比为1:1的乙醇和水中形成溶液，将步骤(2)中的还原棉织物0.95g浸入溶液中，加入0.5ml三乙胺，30℃水浴条件下加热搅拌1h，置于50℃真空烘箱中烘干，得到基于点击化学的二氧化钛纳米管/棉织物光催化材料。

实施例5

利用紫外分光光度计测试实施例1中所制备的基于点击化学的二氧化钛纳米管/棉织物光催化材料光照前后吸附印染废水中染料的吸光度。将实施例1中基于点击化学的二氧化钛纳米管/棉织物光催化材料和二氧化钛纳米管分别置于配置好的染料中，反应10min，同时观察其吸附速率，并测量吸光度，然后在紫外光照条件下反应60min同时观察其吸附速率，并测量吸光度(见图4)。结果表明基于点击化学的二氧化钛纳米管/棉织物光催化材料吸附效率高，稳定性好，具有良好的光催化效果和优异的环保性。