一种梯形苯基聚倍半硅氧烷、聚己内酯/梯形苯基聚倍半硅氧烷共混膜及其制备方法

摘要

本发明公开了一种梯形苯基聚倍半硅氧烷、聚己内酯/梯形苯基聚倍半硅氧烷共混膜及其制备方法，在氮气氛围中，苯基三甲氧基硅烷在有机溶剂和盐酸存在下进行水解反应，得到硅醇；硅醇在室温和氮气氛围条件下，在碱溶液存在下反应，得到梯形苯基聚倍半硅氧烷。将聚已内酯和梯形苯基聚倍半硅氧烷溶于有机溶剂中，得到前驱体溶液，然后采用静电纺丝装置对前驱体溶液进行静电纺丝，得到聚己内酯/梯形苯基聚倍半硅氧烷共混膜。纤维表面“糙化”结构的构建使得复合纤维膜具有良好的超疏水性，接触角可以达到158°±0.1°，且粘附力只有111.916μN。

说明书

技术领域

本发明属于油水分离技术，具体涉及一种聚己内酯/梯形苯基聚倍半硅氧烷共混静电纺丝膜及其制备方法。

背景技术

常见的油水分离方法有化学法（原位燃烧法、化学破乳法）、生物法（生物降解法）和物理法（气浮法、离心法、膜分离法）[Zuo J, Liu Z, Zhou C, et al. A durablesuperwetting clusters-inlayed mesh with high efficiency and flux for emulsionseparation[J]. Journal of Hazardous Materials, 2020, 403: 123620]，其中膜分离技术因其效率高、低成本和环保的特性而被广泛关注。用于油水分离的膜通常具有特殊的润湿性，如亲水-疏油或疏水-亲油，当油和水的混合物与膜接触时，一种液体可以渗透通过，而另一种液体则会被阻挡在外[Tian Y, Ma H. Solvent-free green preparation ofreusable EG-PVDF foam for efficient oil-water separation[J]. Separation andPurification Technology, 2020, 253: 117506]。通常采用表面改性（涂层、接枝、共聚）和与其他物质（聚合物、共聚物、纳米颗粒）共混等方法来制备具有特殊润湿性的膜[Cui J,Li F, Wang Y, et al. Electrospun nanofiber membranes for wastewater treatmentapplications[J]. Separation and Purification Technology, 2020, 250: 117116]。与表面改性的方法繁琐，条件苛刻，成本高昂相比，共混因为其操作简单，低成本而受到很多人的青睐。He等[He L, Lei W, Liu D. One-step facile fabrication of mechanicalstrong porous boron nitride nanosheets-polymer electrospun nanofibrousmembranes for repeatable emulsified oil/water separation[J]. Separation andPurification Technology, 2021, 264: 118446]通过静电纺丝法制备了一种新型的多孔亲水氮化硼纳米片/聚丙烯腈（BNNS/PAN）纳米纤维膜，具有较好的机械性能，其机械强度为19.9 Mpa，杨氏模量为139.6 Mpa。Du等将聚偏氟乙烯（PVDF）、聚偏氟乙烯吡咯烷酮（PVP）和无机二氧化钛（TiO

发明内容

本发明通过共混静电纺丝法，制备PCL/ph-LPSQ复合纤维膜，对其元素组成、润湿性能、热性能等进行了表征，拓宽了PCL在自清洁、防沾污、油水分离等领域的应用。

本发明采用如下技术方案：

一种梯形苯基聚倍半硅氧烷，具有如下化学结构式：

本发明中，苯基三甲氧基硅烷（PTMS）在酸性条件下水解，生成硅醇；后者在碱性条件下经硅羟基间脱水缩合生成具有Si-O-Si主链结构的目标产物，从而制备梯形苯基聚倍半硅氧烷。具体的，在氮气氛围中，苯基三甲氧基硅烷在有机溶剂和盐酸存在下进行水解反应，得到硅醇，优选的，水解反应结束后，将反应溶液静置分层，取上层溶液，水洗至中性，得到硅醇，以溶液形式存在。将上一步所得到的水解硅醇液在室温和氮气氛围条件下，在碱溶液存在下反应，待反应结束后，水洗至中性，再经旋蒸和干燥，得到白色固体产物梯形苯基聚倍半硅氧烷（ph-LPSQ）。

一种聚己内酯/梯形苯基聚倍半硅氧烷共混膜，由上述梯形苯基聚倍半硅氧烷与PCL制备得到，优选的，由上述梯形苯基聚倍半硅氧烷与PCL通过静电纺丝制备得到；具体的，将一定比例的PCL和ph-LPSQ溶于有机溶剂中，得到前驱体溶液，然后采用静电纺丝装置对前驱体溶液进行静电纺丝，得到聚己内酯/梯形苯基聚倍半硅氧烷共混膜。

本发明中，前驱体溶液的浓度为6wt%～20wt%，优选10wt%～14wt%；有机溶剂为氯仿；PCL和ph-LPSQ的质量比为1∶（0.1～1），优选1∶（0.2～0.4）。

本发明采用溶胶-凝胶法制备梯形苯基聚倍半硅氧烷，并以FT-IR，

本发明以PTMS为原料，在稀盐酸的作用下充分水解，生成硅醇，再经过氢氧化钾催化，发生羟基间脱水缩合。过程中控制溶剂甲苯的添加量，反应温度，催化剂用量等，制备具有良好规整度的梯形苯基聚倍半硅氧烷。采用

附图说明

图1为ph-LPSQ的硅核磁谱图。

图2为ph-LPSQ的红外谱图。

图3为不同溶液浓度下PCL纤维的SEM图像：(a1-a2)：6 wt%，(b1-b2)：8 wt%， (c1-c2)：10 wt%，(d1-d2)：12 wt%，(e1-e2)：14 wt%。

图4为不同溶剂比下的PCL纤维的直径分布和SEM图像：(a1-a3)：1:2（V:V,

图5为不同共混比下的PCL/ph-LPSQ纤维的直径分布和SEM图像：(a1-a3)：1.0:0.2，(b1-b3)：1.0:0.4，(c1-c3)：1.0:0.6，(d1-d3)：1.0:0.8。

图6为PCL/ph-LPSQ纳米纤维膜的EDS谱图。

图7为PCL和PCL/ph-LPSQ纳米纤维膜的红外光谱图（a）；PCL/ph-LPSQ纳米纤维膜的XPS谱图：全谱图（b），碳谱（c），氧谱（d），硅谱（e）。

图8为 在80℃下焙烘4 h后，PCL膜（a-a’）和PCL/ph-LPSQ纳米纤维膜（b-b’）的图像；PCL和PCL/ph-LPSQ纳米纤维膜的TGA曲线（c）；PCL/ph-LPSQ纳米纤维膜在80℃下焙烘24h后的热失重曲线（d）。

图9为PCL膜（a）和PCL/ph-LPSQ纳米纤维膜（b）的WCA图。

图10为PCL/ph-LPSQ纳米纤维膜粘合力-距离曲线。

图11为PCL/ph-LPSQ纳米纤维膜的自清洁（亚甲基蓝粉末（a1-a3）和粉笔末（b1-b3））和防沾污测试（c1-c6）图像。

图12为PCL/ph-LPSQ纳米纤维膜油吸附（a）和油水混合物分离（b）过程照片。

图13为PCL/ph-LPSQ纳米纤维膜经油水分离10个循环的分离效率。

图14为PCL/ph-LPSQ纳米纤维膜在80℃（a1, a2），1M HCl（b1, b2），1M NaOH （c1,c2）和1M NaCl（d1, d2）条件下的SEM和WCA图。

具体实施方式

本发明以苯基三甲氧基硅烷为原料，通过溶胶凝胶法制备了ph-LPSQ，并采用硅核磁谱图和红外光谱对目标产物结构进行了表征。以氯仿溶解PCL和ph-LPSQ，充分搅拌后得均一的纺丝溶液，调控浓度，溶剂配比以及共混比等工艺参数，制备均匀的复合纳米纤维膜。对纤维膜表面化学成分（ATR-IR、EDS、XPS）进行了分析，测试了静电纺丝膜润湿性能，热性能，测试了静态接触角和粘附力等表面性能，并研究分析了纳米纤维膜的自清洁和油水分离应用性能。

苯基三甲氧基硅烷（高纯，≥98%）购自上海安耐吉化学技术有限公司。甲苯、无水甲醇、盐酸、氢氧化钾、三氯甲烷、

利用Thermo Scientific Nicolet iS5型红外光谱仪对所得样品进行测试。通过固体宽腔超导核磁共振谱仪（AVANCEIII/WB-400）对合成产物进行硅核磁谱分析。采用冷场发射扫描电子显微镜（SU8100）对样品进行形貌表征。采用台式扫描电子显微镜（TM-3030型）配套能量色散X-射线能谱对纤维膜的表面元素含量及分布进行测试。采用ThermoScientific Nexsa型X-射线光电子能谱仪测试纤维膜进行表面元素分析，以Mono AlKa射线（hν=1486.6 eV）作为单色光，舱内工作压力为4.0×10

实施例一

梯形苯基聚倍半硅氧烷（ph-LPSQ）的合成路线如下：

其中，苯基三甲氧基硅烷（PTMS）在酸性条件下完全水解，生成硅醇；后者在碱性条件下经硅羟基间脱水缩合生成具有Si-O-Si主链结构的目标产物，得到白色固体产物梯形苯基聚倍半硅氧烷（ph-LPSQ），分子量为1000-1300。

（1）PTMS单体的水解

在氮气氛围中，向配有电磁搅拌的500 mL三口烧瓶中加入10 mL苯基三甲氧基硅烷和60 mL甲苯，将反应体系置于-10℃的冰浴中。将配制的稀盐酸（20 mL, 0.1 mol/L），在30 min内滴加至混合液中。滴加结束后，搅拌反应24 h。水解反应结束后，将反应溶液静置在分液漏斗中，取上层溶液，并用150 mL去离子水洗涤5次至中性。

（2）水解产物的缩聚

将上一步所得到的水解液转移到配置回流冷凝管的250 mL三口烧瓶中，在室温和氮气氛围条件下，通过注射器将3毫升KOH溶液（1g/L）滴加至反应液中。滴加结束后，将反应温度设置为80℃，回流反应24 h。待反应结束后，使用200 mL去离子水将其洗涤至中性，再经旋蒸和真空干燥，得到白色固体产物 ph-LPSQ，数均分子量1200。

图1为ph-LPSQ的硅核磁谱图和红外谱图。

ph-LPSQ的红外光谱结果如图2所示，在3072、3052和3010 cm

以上结果表明，ph-LPSQ已经被成功合成。

实施例二 PCL纳米纤维膜的制备

静电纺丝的前驱体溶液制备过程如下：将一定比例的PCL溶于溶剂中。在室温下用磁力搅拌器充分搅拌4 h，制备出透明均一的溶液，再超声30 min去除气泡。采用静电纺丝装置（JDF05）对前驱体溶液进行静电纺丝，该静电纺丝装置由高压电源、推进泵、注射器和接收装置组成。当推进泵将溶液推出针头时，在电场的作用下，针头处形成泰勒锥。随着电压的增加，溶液上的静电场力克服了流体表面的张力和粘性阻力，从而形成纳米纤维，并被收集到铝箔收集器上。

在接收距离（20 cm）、电压（12 kV）、流速（1 mL/h）、温度（27.5±0.5℃）和湿度（85±5%）不变的情况下，采用不同的前驱体溶液浓度（wt%，6%-14%，变化间隔为2%，氯仿）进行静电纺丝，结果见图3。

在溶液浓度（14%）、接收距离（20 cm）、电压（12 kV）、流速（1 mL/h）、温度（27.5±0.5℃）和湿度（85±5%）不变的情况下，采用不同的溶剂（

实施例二 PCL/ph-LPSQ 纳米纤维膜的制备

静电纺丝的前驱体溶液制备过程如下：将一定比例的PCL和ph-LPSQ溶于氯仿中。在室温下用磁力搅拌器充分搅拌4 h，制备出透明均一的溶液，再超声30 min去除气泡，得到前驱体溶液，PCL和ph-LPSQ作为溶质，浓度为14wt%，采用静电纺丝装置（JDF05）对前驱体溶液进行静电纺丝，该静电纺丝装置由高压电源、推进泵、注射器和接收装置组成。当推进泵将溶液推出针头时，在电场的作用下，针头处形成泰勒锥。随着电压的增加，溶液上的静电场力克服了流体表面的张力和粘性阻力，从而形成纳米纤维，并被收集到铝箔收集器上。

固定溶液浓度（14%）、接收距离（20 cm）、电压（12 kV）、流速（1 mL/h）、温度（27.5±0.5℃）和湿度（85±5%）不变，采用不同的共混比（m:m，PCL:ph-LPSQ）进行静电纺丝，结果见图5，随着ph-LPSQ用量的增加，纤维的直径呈现增加的趋势，但是纤维直径的标准差从1.22 μm提高到了4.48 μm，说明纤维的均匀性有所下降；选取PCL和ph-LPSQ质量共混比为1:0.2所制得的纳米纤维膜进行后续的研究。

通过EDS能谱对纤维膜表面的化学成分进行了分析，图6为PCL/ph-LPSQ纳米纤维膜的EDS元素含量及分布图。纯PCL纳米纤维膜中只含有C和O两种元素，在PCL/ph-LPSQ纳米纤维膜中出现Si元素，其百分比含量为2.870%，这表明ph-LPSQ已经成功与PCL进行了共混。为了进一步验证ph-LPSQ已成功与PCL共混，对PCL/ph-LPSQ纳米纤维膜进行了红外光谱图和XPS谱图的分析，如图7。根据以上EDS、ATR-IR、XPS光谱结果，说明ph-LPSQ在PCL中均匀分散。

如图8所示，在80℃烘箱中焙烘4 h后，纯PCL纳米纤维膜出现熔化现象，纳米纤维结构被破坏，由静电纺丝膜转变成了表面光滑的致密膜。而在相同条件下，PCL/ph-LPSQ纳米纤维膜的形貌结构没有明显变化，与前者相比，它表现出更好的热稳定性。为了进一步验证之前的结果，采用热重分析（TGA）对PCL和PCL/ph-LPSQ纳米纤维膜的热性能进行了研究，随着ph-LPSQ的加入，PCL纤维膜的热力学曲线略微右移，初始降解温度由340℃提高到了355℃。并且PCL/ph-LPSQ纤维膜的残碳率为11.61%，高于纯PCL膜。除此之外，将在80℃条件下的烘焙时间由4 h延长至24 h, 发现PCL/ph-LPSQ纤维膜的质量从63 mg下降到62 mg，失重率仅为1.59%。以上结果表明，PCL/ph-LPSQ纳米纤维膜具有较好的热性能。

采用水接触角和黏附力测试对PCL/ph-LPSQ纳米纤维膜的润湿性进行评价。从图9中（a）可知，PCL和PCL/ph-LPSQ纳米纤维膜的初始水接触角分别为133.6°±0.2°和158.0°±0.1°。静置15 min后，PCL膜的接触角下降至87.5°±0.6°，而PCL/ph-LPSQ纳米纤维膜的接触角仍然维持在150°以上，见图9中（b）。这是因为这两种纤维具有不同的表面结构，从而表现出相异的拒水稳定性。如图10所示，经过采用表面界面张力仪器测试后，测得样品粘附力为111.916 μN。以上结果表明，PCL/ph-LPSQ纳米纤维膜具有良好的超疏水性能。

超疏水性纳米纤维膜在自清洗和油水分离领域具有一定的应用前景，为研究PCL/ph-LPSQ纳米纤维膜的自清洁性能，以亚甲基蓝粉末和粉笔末为污染物参考样品。如图11中（a1-b3）所示，通过双面胶将样品膜固定在载玻片表面，并倾斜8°放置。随着水滴的滴落，分布在样品上的污染物会随着滚动的水滴从样品表面被带走而不留下污渍。此外，还考虑了样品的防沾污性能。如图11中（c1-c6）所示，将样品浸泡在亚甲基蓝染色的水中，取出后，可以观察到样品膜表面没有留下蓝色的污渍。以上结果表明，ph-LPSQ纳米纤维膜具有良好的自清洁和防沾污性能。

PCL/ph-LPSQ纳米纤维膜的吸油性能如图12中（a）所示。当膜接触到烧杯底部被染成油红色的四氯化碳时，油滴能被样品迅速吸收。这是因为所制备的纳米纤维膜具有多孔、粗糙的分层结构，比表面积较高，所以具有良好的吸油能力，ph-LPSQ的加入促进了相分离，使纤维的表面粗糙度得到改善，接触角达到了150°以上。因此，采用PCL/ph-LPSQ纳米纤维膜对油水混合物进行分离。图12中（b）为PCL/ph-LPSQ纳米纤维膜，仅在重力驱动下对油水混合物的分离过程。可以看出，将包含20毫升亚甲基蓝染色的去离子水和20毫升油红染色的四氯化碳的油水混合物注入玻璃烧杯，当其接触纤维膜后，油滴被迅速吸收并被收集到下方的烧杯中，而水无法渗透，仍然保留在纤维膜的顶部，从而实现了油相和水相的分离。如图13所示，经过10个分离循环后，样品膜仍然具有较高的分离效率，可以达到98%，表现出良好的油水分离性能和循环能力。

纳米纤维膜的稳定性对其在实际中的应用有着至关重要的作用。本发明测试了PCL/ ph-LPSQ纳米纤维膜在不同PH溶液和80℃下的稳定性，结果如图14所示。从图14中（a1-d1）可以看出，浸泡24 h后，纤维形态保持稳定，没有发生扭曲或断裂。对在不同环境下处理过的纤维膜进行了接触角测试，结果如图14中（a2-d2）所示，PCL/ph-LPSQ纳米纤维膜在1M HCl、1M NaCl和80℃条件下处理24 h后，WCA仍保持在150°以上。虽然在1M NaOH溶液中WCA值降低到143.3°±0.2°，但仍表现出较好的疏水性。这表明所制备的纳米纤维膜具有良好的稳定性，可见由ph-LPSQ复合拓宽了纳米纤维膜在各种环境中的应用范围。