一種耐磨疏水親油材料、其制備方法與應用與流程

本發明涉及超疏水材料技術領域，尤其涉及一種耐磨疏水親油材料、其制備方法與應用。

背景技術：

水資源和石油資源都是寶貴的自然資源，含油污水的排放不僅浪費資源，而且更嚴重的是破壞了生態壞境，最終影響到人類的生存，所以含油污水在排放前必須加以處理。

隨著工業技術的蓬勃發展，石油成為世界上最重要的能源之一。各國對石油的開采也逐漸增加，在海洋石油勘探開發中，井噴、原油泄漏、平臺或鉆井裝置傾覆的事故時有發生。另外，隨著人口的快速增長和工業化經濟發展，最近幾年的海上漏油事件屢屢發生，從美國的墨西哥灣和我國渤海灣油井的直接泄漏事故及近期青島石油泄漏事件到大量的遠洋油輪泄漏，對海洋生態環境造成極大的破壞。

工業污染含油廢水及生活廢水排放進入海洋水體系統將嚴重破壞海洋水生植物和動物繁殖，造成海洋生態系統的破壞，間接通過食物鏈方式進入人體嚴重危害人類健康。據統計，因為突發的溢油事故流入江河、海洋水體中的石油，每年達到300萬到500萬噸，不僅對生態環境造成了破壞，而且造成了巨大的經濟損失。

傳統的油水分離方法包括離心法、化學和物理法、吸附法、重力沉降等，然而這些方法具有一定的局限性：制備時間長、需要人工反復不斷地操作、設備要求高、效率低、過程步驟復雜、二次污染、高運營成本、分離后油相和水相純度不高等，直接影響在實際中的應用。因此，油水分離技術的研發是科技工作者的攻關課題之一，對石油開采與環境保護具有重要意義。

技術實現要素：

針對上述技術現狀，本發明提供了一種耐磨疏水親油材料，其不僅具有良好的親油性，同時還具有良好的疏水性，并且具有耐磨性，可作為分離膜用于油水分離。

本發明的技術方案為：一種耐磨疏水親油材料，包括親油的基底材料與硬脂酸鹽，其中硬脂酸鹽粘附在基底材料表面，形成耐磨疏水表面。

一般情況下，常溫下干燥的硬脂酸金屬鹽呈粉末狀，本發明中所述的粘附是指硬脂酸鹽被固化在基底材料表面而不易脫落。該粘附方法不限，包括固化粘附，即將硬脂酸鹽與A物質混合，該A物質在固化劑B作用下發生固化，從而將硬脂酸鹽固化粘附在基底上形成耐磨損超疏水涂層。當采用固化粘附時，所述的A物質優選為具有低表面能聚二甲基硅氧烷(PDMS)。

本發明中，材料表面對水的接觸角(θ_水)大于90°并且小于150°，即，90°<θ_水<150°時，該材料表面為疏水表面，具有疏水性。當材料表面對水的接觸角大于150°并且小于等于180°，即，150°<θ_水<180°時，該材料表面為超疏水表面，具有超疏水性。

本發明中，材料表面對油的接觸角(θ_油)大于0°并且小于90°，即0°<θ_油<90°時，該材料表面為親油表面，具有親油性。當材料表面對油的接觸角等于0°時，該材料表面為超親油表面，具有超親油性。

當采用固化粘附，所述的A物質優選為具有低表面能聚二甲基硅氧烷(PDMS)時，本發明的耐磨疏水親油材料表面可實現超疏水性，即，其對水的接觸角大于或者等于150°。

本發明還提供了一種制備疏水親油材料的方法，具體包括如下過程：

(1)有機金屬鹽和硬脂酸溶解在無水乙醇中，攪拌反應得到硬脂酸金屬鹽懸浮液；

聚二甲基硅氧烷(PDMS)與固化劑溶解在乙酸乙酯中，得到固化劑溶液；

所述的硬脂酸金屬鹽懸浮液與固化劑溶液混合，攪拌均勻得到混合溶液；

(2)將所述的混合溶液涂敷或者噴涂在清洗、干燥處理后的基底材料表面，加熱固化后硬脂酸金屬鹽粘附在纖維布基底表面形成耐磨損的超疏水涂層；或者，將清洗、干燥處理后的基底材料浸漬在所述的混合溶液中，取出后加熱固化，硬脂酸金屬鹽粘附在纖維布基底表面形成耐磨損的超疏水涂層。

所述的基底，其材料不限，包括纖維布、棉花、海綿(例如聚氨酯海綿、纖維素海綿等)、濾紙、泡沫金屬等。

所述的步驟(1)中，清洗處理用于去除基底材料中的雜質等。作為一種實現方式，所述的清洗處理包括：將基底材料浸泡于丙酮中去除油污雜質，然后用乙醇溶液清洗纖維布表面殘余的雜質和丙酮，最后用去離子水清洗干凈。作為優選，所述的清洗處理都在超聲中進行。

所述的步驟(1)中，所述的干燥溫度優選為80-100℃。

所述的步驟(1)中，有機金屬鹽與硬脂酸發生反應得到硬脂酸金屬鹽，有機金屬鹽中的金屬元素不限，包括銅、鋅、錳、鋁、鐵等；有機金屬鹽不限，包括醋酸銅、醋酸鋅、醋酸錳、醋酸鋁、醋酸鐵等。

所述的步驟(1)中，混合溶液中硬脂酸金屬鹽與PDMS的質量比優選為30:1-30:20，更優選為30:2-30:18，最優選為3:1，這時能夠達到超疏水效果。

所述的低表面能物質PDMS與固化劑質量之比優選為10：1。

作為優選，所述的步驟(1)中，有機金屬鹽的平均粒徑為100nm～200nm。

以纖維布為基底，通過簡單的硬脂酸溶液改性有機金屬鹽具有超疏水效果，然后和聚二甲基硅氧烷和固化劑混合，將纖維布浸漬里面烘干

綜上所述，本發明選用具有親油性能的基底，將硬脂酸金屬鹽粘附在該基底表面，利用硬脂酸金屬鹽的超疏水特性，在基底表面構成疏水的表面層，從而實現了疏水親油的效果，同時由于硬脂酸金屬鹽粘附在基底表面而克服了其易脫落的問題。與現有技術相比，本發明具有如下技術效果：

(1)基底材料取材廣泛，可以是纖維布、棉花、海綿、濾紙、泡沫金屬等；

(2)一般情況下，干燥的硬脂酸金屬鹽呈粉末狀，不易作為結構材料而應用，本發明中將硬脂酸金屬鹽粘附在基底表面而形成耐磨損的疏水涂層材料，具有良好的環境穩定性，因此易于在實際中應用；

(3)由于硬脂酸金屬鹽具有良好的超疏水特性，本發明的耐磨疏水親油材料對水的接觸角可高于150°，從而實現耐磨超疏水效果。

(4)本發明提供的制備方法操作簡單，無需大型設備及嚴苛工藝條件，耗時短，快速高效，制備過程中無需激光刻蝕、陽極氧化等復雜過程構筑疏水親油的油水分離膜，并且原料硬脂酸和聚二甲基硅氧烷綠色無污染無毒無害，環境友好，因此具有良好的工業發展前景，適合大面積規模生產。

因此，本發明提供的疏水親油材料可應用在油水分離技術中，實現油滲透而水不滲透網膜，適用于煤油、汽油、柴油、機油、甲苯、二氯甲烷、植物油，汽油等不與水互溶的有機溶劑都能夠有效進行油水分離。

附圖說明

圖1是本發明實施例1制得的纖維布薄膜涂層的表面掃描電子形貌圖；

圖2是本發明實施例1制得的纖維布薄膜涂層的表面掃描透射形貌圖；

圖3是本發明實施例1制得的纖維布薄膜涂層在空氣中與水滴(5微升)的接觸角圖；

圖4是本發明實施例3制得的纖維布薄膜涂層在空氣中與油滴(5微升)的接觸角圖。

具體實施方式

下面結合附圖實施例對本發明作進一步詳細描述，需要指出的是，以下所述實施例旨在便于對本發明的理解，而對其不起任何限定作用。

實施例1:

本實施例中，基底材料為碳纖維布。

采用該基底材料制備超疏水超親油材料，具體包括如下步驟：

步驟1：將碳纖維布浸泡于丙酮去除油污雜質，然后用乙醇溶液清洗干凈碳纖維布表面殘余溶液和丙酮，最后用去離子水清洗干凈，清洗都在超聲中進行操作。之后放在烘箱中在80～100℃烘干備用。

步驟2：將1g醋酸銅和2.8g的硬脂酸溶解在100ml無水乙醇中，在磁力攪拌器上勻速攪拌10min，得到硬脂酸金屬鹽懸浮液；

將1g低表面能物質聚二甲基硅氧烷和0.1g固化劑混合溶解在100ml乙酸乙酯中，得到固化劑溶液；

將硬脂酸金屬鹽懸浮液與固化劑溶液混合，攪拌均勻得到混合溶液。

步驟3、將碳纖維布多次浸漬在步驟(2)制得的混合溶液中，取出后在烘箱干燥2h，得到帶有薄膜涂層的纖維布。

上述制得的纖維布薄膜涂層表面的掃描電子形貌圖如圖1所示，顯示干燥后的PDMS和硬脂酸鹽粘附在基底表面形貌。

上述制得的纖維布薄膜涂層表面的掃描透射形貌圖如圖2所示，顯示低表面能物質PDMS和硬脂酸銅是三維交聯的網狀結構。

測試上述制得的纖維布薄膜涂層對水與油的表觀接觸角，具體測試方法為：通過點滴法，滴出5微升水滴和油滴在制得的樣品表面，在樣品表面取五個不同位置進行測量，通過計算分析取平均值。

測得的結果如圖3所示，顯示該纖維布薄膜涂層在空氣中與水滴(5微升)的接觸角為155.45°，如圖4所示在空氣中與油滴(5微升)的接觸角為0°。

將上述制得的帶有薄膜涂層的纖維布裁剪2cm×2cm的作為試樣，將其粘在200g砝碼上。然后，將粘有試樣的砝碼置于180目數的碳化硅砂紙上朝一個方向勻速推動25cm。重復摩擦30次后取下帶有薄膜涂層的纖維布測試，纖維布的薄膜涂層表面仍然具有良好的超疏水性。

實施例2：

本實施例中，基底材料與實施例1中的基底材料完全相同。

采用該基底材料制備超疏水超親油材料，制備方法與實施例1中的制備方法基本相同，所不同的是步驟2中，將0.2g低表面能物質聚二甲基硅氧烷和0.02g固化劑混合溶解在100ml乙酸乙酯中，得到固化劑溶液。

上述制得的纖維布薄膜涂層表面的掃描電子形貌圖類似圖1所示，顯示干燥后PDMS和硬脂酸鹽粘附在基底表面。

測試上述制得的纖維布膜對水與油的表觀接觸角，具體測試方法與實施例1完全相同。測得的結果為，樣品對水的接觸角為136.23°，對油的接觸角為0°。

實施例3：

本實施例中，基底材料與實施例1中的基底材料完全相同。

采用該基底材料制備超疏水超親油材料，制備方法與實施例1中的制備方法基本相同，所不同的是步驟2中，將0.6g低表面能物質聚二甲基硅氧烷和0.06g固化劑混合溶解在100ml乙酸乙酯中，得到固化劑溶液。

上述制得的纖維布薄膜涂層表面的掃描電子形貌圖類似圖1所示，顯示干燥后PDMS和硬脂酸鹽粘附在基底表面。

測試上述制得的纖維布薄膜涂層對水與油的表觀接觸角，具體測試方法與實施例1完全相同。測得的結果為，樣品對水的接觸角為147.62°，對油的接觸角為0°。

實施例4:

本實施例中，基底材料與實施例1中的基底材料完全相同。

采用該基底材料制備超疏水超親油材料，制備方法與實施例1中的制備方法基本相同，所不同的是步驟2中，將1.4g聚二甲基硅氧烷和0.14g固化劑混合溶解在100ml乙酸乙酯中，得到固化劑溶液。

上述制得的纖維布薄膜涂層表面的掃描電子形貌圖類似圖1所示，顯示干燥后PDMS和硬脂酸鹽粘附在基底表面。

測試上述制得的纖維布薄膜涂層對水與油的表觀接觸角，具體測試方法與實施例1完全相同。測得的結果為，樣品對水的接觸角為148.56°，對油的接觸角為0°。

以上所述的實施例對本發明的技術方案進行了詳細說明，應理解的是以上所述僅為本發明的具體實施例，并不用于限制本發明，凡在本發明的原則范圍內所做的任何修改、補充或類似方式替代等，均應包含在本發明的保護范圍之內。