本發(fā)明涉及一種具有特殊浸潤(rùn)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(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著材料科學(xué)的發(fā)展，基于特殊潤(rùn)濕性材料的研究受到關(guān)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(shù)、油水分離等領(lǐng)域正在或即將獲得應(yīng)用。近年來(lái)，發(fā)現(xiàn)通過(guò)改性等方法，研究了很多親水性及特殊浸潤(rùn)性材料。如：發(fā)明cn201510698160.2中提供一種新的自潤(rùn)滑親水涂料，解決涂料體系存在的熱傳導(dǎo)效率較低，親水性較低的問(wèn)題。cn201510030697.1發(fā)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(jié)構(gòu)，提供了一種具有紫外防護(hù)和耐水洗的特殊浸潤(rùn)性功能表面的構(gòu)筑方法，從而解決制備超疏水自清潔表面操作工藝復(fù)雜、穩(wěn)定性差、膜層形貌不可控的問(wèn)題。cn201510968274.4中發(fā)明了一種集成兩種特殊浸潤(rùn)性材料的t型油水分離設(shè)備，從而解決了液層阻礙問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)、高效、高通量的油水分離。當(dāng)然，如何降低成本、提高環(huán)境友好性能尚未受到足夠重視。

羽毛是禽類的表皮細(xì)胞生長(zhǎng)出來(lái)的一種角質(zhì)化產(chǎn)物，其中含有角蛋白，蛋白鏈之間的二硫鍵使其具有剛性結(jié)構(gòu)，這種剛性結(jié)構(gòu)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(chǔ)量豐富等特點(diǎn)，因此，從廢棄生物質(zhì)資源再利用角度出發(fā)，已有相關(guān)研究報(bào)道：如：從羽毛中提取角蛋白后，可用于環(huán)境敏感的水凝膠（cn201510299512.7，cn201510621974.6）；將羽毛與其他生物質(zhì)混合紡絲制備成復(fù)合纖維材料用于紡織領(lǐng)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(diǎn)，使其應(yīng)用受到限制。目前，將羽毛經(jīng)過(guò)改性成具有特殊浸潤(rùn)性材料的研究未見(jiàn)報(bào)道。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)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(fā)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(diǎn)，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(hù)劑的水溶液中，在震搖下升溫至50~85℃，繼續(xù)震搖20~90分鐘；再加入改性劑和分散劑，繼續(xù)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(lái)源于養(yǎng)雞場(chǎng)或農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)中廢棄的雞毛、鴨毛及其他家禽羽毛，將收集的廢棄羽毛經(jīng)過(guò)清洗、晾干后，剪切為形貌相對(duì)規(guī)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(zhì)量的0.1~0.25倍。

所述保護(hù)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(hù)劑加入量為羽毛纖維質(zhì)量的0.1~0.15倍

所述改性劑為硅烷偶聯(lián)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(zhì)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(shí)。

二、表面親水化改性的羽毛纖維結(jié)構(gòu)表征

通過(guò)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(guò)紅外光譜考察了其功能基團(tuán)的變化，說(shuō)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(rùn)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?？梢悦黠@看出，改性后的羽毛纖維表面（b）出現(xiàn)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(duì)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(fā)現(xiàn)羽毛纖維保持了原來(lái)的外觀，說(shuō)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(xiàn)了蛋白的特征吸收峰（酰胺i、ii、iii帶），說(shuō)明蛋白質(zhì)材料的基本構(gòu)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(dòng)和彎曲振動(dòng)，905cm^-1附近的吸收峰是si-oh的伸縮振動(dòng)；在3280cm^-1附近可看到代表-ch2以及-ch3的c-h伸縮振動(dòng)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(shuō)明此官能團(tuán)有所減少。由此說(shuō)明成功將硅烷偶聯(lián)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(cè)試

1、空氣中與水的接觸角測(cè)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(xiàn)浸潤(rùn)狀態(tài)，尤其是水滴在羽軸上幾乎平鋪。測(cè)得改性后的羽毛接觸角為25.35°，羽絨為74.11°，表現(xiàn)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(cè)試

實(shí)驗(yàn)分別測(cè)試了親水性羽毛在水下對(duì)柴油和氯仿的接觸角，結(jié)果見(jiàn)圖4。改性羽毛在水下對(duì)柴油的接觸角為134.04°（圖4a），對(duì)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(diǎn)，該性能可應(yīng)用于微液滴傳遞技術(shù)、油水分離等領(lǐng)域。

3、油-水混合液中的特殊浸潤(rùn)性能測(cè)試

測(cè)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(rùn)性能，并與未改性羽毛纖維進(jìn)行對(duì)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(biāo)記?？梢钥闯鑫锤男杂鹈胗?水混合液后，被深色標(biāo)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(méi)有被染色，說(shuō)明表面親水化改性的羽毛纖維具有水下疏油的特殊浸潤(rùn)性能，因此可作為浸潤(rùn)材料應(yīng)用于防油污、生物黏附等領(lǐng)域。

4、吸水性能測(cè)試

為了評(píng)價(jià)表面親水化改性羽毛纖維對(duì)水的吸附能力，進(jìn)一步做了如下實(shí)驗(yàn)：室溫下，取一定量的改性羽毛纖維，分別在30ml水中浸潤(rùn)30分鐘，再靜置20分鐘，稱重，計(jì)算吸水倍率（g/g），測(cè)試改性羽毛對(duì)水的吸附能力，晾干，循環(huán)測(cè)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(duì)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(yīng)用于保水、保鮮及建筑防水等領(lǐng)域。

綜上所述，本發(fā)明以廢棄羽毛作為天然高分子材料，通過(guò)表面改性，在保持原有親油性能的基礎(chǔ)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(rùn)性，此類特殊浸潤(rùn)性表面材料可應(yīng)用于防霧涂層，防污涂層、防指紋涂層、微液滴傳遞技術(shù)、油水分離等領(lǐng)域。另外，改性后羽毛的親水性有很大提升，對(duì)水的吸附倍率可達(dá)10倍之多，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出未改性羽毛的吸水倍率。因此可作為吸水材料應(yīng)用于保水、保鮮及建筑防水等領(lǐng)域。

附圖說(shuō)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(duì)水的接觸角。

圖4為表面親水化改性羽毛纖維在水下對(duì)油的接觸角。

圖5為改性前后羽毛在油-水混合液中的浸潤(rùn)性能。

圖6為表面親水化改性羽毛纖維的吸水性能。

具體實(shí)施方式

下面通過(guò)具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明羽毛表面改性的親水性纖維的制備及其特殊浸潤(rùn)性能做進(jìn)一步說(shuō)明。

實(shí)施例1

將1g洗凈的廢棄羽毛纖維，浸潤(rùn)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(xù)震搖1.5小時(shí)；然后加入1g硅烷偶聯(lián)劑kh570、10ml的甲醇，繼續(xù)在搖床中震搖3小時(shí)。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(shí)，得到表面改性的羽毛纖維。

選取相同質(zhì)量的未改性羽毛和改性羽毛，分別測(cè)試羽毛對(duì)水的吸附性能。結(jié)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(shí)施例2

將10g洗凈的廢棄羽毛纖維，浸潤(rùn)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(xù)震搖1小時(shí)；然后加入12g氯甲基乙烯基二甲基硅烷、150ml的乙醇，繼續(xù)在搖床中震搖2小時(shí)。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(shí)，得到表面改性的羽毛纖維。

選取相同質(zhì)量的未改性羽毛和改性羽毛，分別測(cè)試羽毛對(duì)水的吸附性能。結(jié)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(shí)施例3

將5g洗凈的廢棄羽毛纖維，浸潤(rùn)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(xù)震搖80分鐘，然后加入5g硅烷偶聯(lián)劑kh570、30ml的乙醇，繼續(xù)在搖床中震搖3小時(shí)；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(shí)，得到表面改性的羽毛纖維。

選取相同質(zhì)量的未改性羽毛和改性羽毛，分別測(cè)試羽毛對(duì)水的吸附性能。結(jié)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(shí)施例4

將3g洗凈的廢棄羽毛纖維，浸潤(rùn)于100ml（含0.5g亞硫酸鈉-亞硫酸氫鈉復(fù)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(xù)震搖20分鐘；然后加入4g硅烷偶聯(lián)劑kh570、20ml甲醇，繼續(xù)在搖床中震搖1小時(shí)；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(shí)，得到表面改性的羽毛纖維。

選取相同質(zhì)量的未改性羽毛和改性羽毛，分別測(cè)試羽毛對(duì)水的吸附性能。結(jié)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(shí)施例5

將8g洗凈的廢棄羽毛纖維，浸潤(rùn)于400ml（含2g亞硫酸氫鈉-硫化鈉復(fù)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(xù)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(xù)在搖床中震搖3.5小時(shí)；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(shí)，得到表面改性的羽毛纖維。

選取相同質(zhì)量的未改性羽毛和改性羽毛，分別測(cè)試羽毛對(duì)水的吸附性能。結(jié)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。