一種新型油水分離材料及其使用方法
【專利摘要】本發明涉及一種新型油水分離材料及其使用方法，解決了現有材料耐久性不夠等問題。具體由基體及附著于基體表面的涂層組成，所述基體材料為泡沫鎳、泡沫銅或泡沫鈦中的一種；形成所述基體表面涂層的乳液，由改性樹脂、有機溶劑、低表面能物質及納米粒子組成；將新型油水分離材料制作成具有連接口的容器，容器的連接口與泵的入口連接，建立油（有機物）水分離系統。該油（有機物）水分離系統在連續分離7天內還等保持很好的疏水性，分離效率非常高，分離工作量能達到自身重量的萬倍以上。
【專利說明】
一種新型油水分離材料及其使用方法
技術領域
[0001 ]本發明涉及一種油水分離材料及該材料的使用方法。
【背景技術】
[0002] 超疏水超親油材料對油和水有著不一樣的潤濕性質，可以徹底分離水和油的混合 物，因此可應用于油水分離系統中。目前，油水分離系統中應用的超疏水超親油材料主要有 海綿，不銹鋼網、纖維布等。中國專利CN201510696202(-種基于單組份聚氨酯制備超疏水 超親油網布材料的方法)公開了利用浸涂方法制備超疏水超親油功能的網布，雖然網布具 有疏水性質，但進行油水分離時需要借助工具及設備支撐網布，使用起來比較麻煩，而且增 加系統體積，另外，網布涂層上的小分子易丟失，表面結構容易被破壞，所以網布的耐久性 不高，不利于長期使用。專利CN201510483892( -種由蠟燭灰輔助的超疏水超親油油水分離 網膜及其制備方法和應用)公開了在銅網上利用電化學沉積的方法制備超疏水超親油表面 的技術，該專利制備的涂層與基材結合力不好，表面粗糙結構容易被破壞，導致油/水分離 耐久性不高。專利CN201510656105(-種超疏水超親油海綿材料的制備方法與應用)涉及一 種超疏水超親油海綿的制備方法。因其對油的吸收量和有機溶劑的通量有限，且海綿的力 學強度也不足，導致其處理量和分離效率難以達到工程應用的要求。
[0003] 因此，設計一個使用方便、超疏水超親油性能持久、不容易被破壞的油水分離材 料，并且利用該材料建立一個處理量大、分離效率高的油(有機物)水分離系統，在實際應用 中有著重要意義。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的是提供一種新型的油水分離材料，該材料的超疏水超親油性能持 久，不易被破壞，使用方便。
[0005] 本發明的另一個目的是提供該材料的使用方法，按照該方法建立的油水分離系 統，處理量大，分離效率高。
[0006] 為實現上述發明目的，本發明采用的技術方案是:一種新型油水分離材料，由基體 及附著于基體表面的涂層組成，所述基體材料為泡沫鎳、泡沫銅或泡沫鈦中的一種;形成所 述基體表面涂層的乳液，按照重量份計算，其組成為： 改性樹脂 80-98， 有機溶劑 60-100， 低表面能物質0.01-5， 納米粒子 1.99-18， 所述改性樹脂，是在聚氨酯PU、聚偏氟乙烯PVDF、氟化乙烯丙烯共聚物FEP、聚四氟乙烯 PTFE、聚苯硫醚PPS中，選取若干種，加入硅烷偶聯劑，再加入凹凸棒石粘土、分子篩、粉煤 灰、滑石粉中的一種或多種，經過球磨而獲得;上述樹脂與無機填料的重量份數比為9-12: 1，樹脂與硅烷偶聯劑的重量份數比為100:1-3; 所述有機溶劑為乙酸乙酯、乙醇、正己烷中的一種或多種的混合； 所述低表面能物質為聚二甲基硅氧烷PDMS、全氟辛基三乙氧基硅烷中的一種或兩種的 混合； 所述納米粒子為納米二氧化娃、碳納米管、納米碳化娃中的一種或多種的混合。
[0007] 優選樹脂與無機填料的重量份數比為10:1。
[0008] 上述新型油水分離材料的制備方法是： (1) 基體表面預處理； (2) 形成所述涂層的乳液的制備 將改性樹脂、低表面能物質及納米粒子加入到有機溶劑中后進行超聲處理，直至粉末 完全分散到溶劑中； (3) 基體表面涂層的制備 將步驟(2)乳液均勻涂覆于基體表面，然后進行常溫或加熱固化。
[0009] 上述新型油水分離材料的使用方法是： 將新型油水分離材料制作成具有連接口的容器，容器的連接口與栗的入口固定連接， 容器置于油水混合物或有機物與水的混合物中，栗的出口連接收集槽。
[0010] 本發明的有益效果： (1) 本油水分離材料制備過程中，低表面能物質和改性樹脂發生微相分離，改性樹脂向 下沉積，提高了涂層與泡沫金屬的粘接力。低表面能物質向上迀移，降低了涂層的表面能。 無機填料與納米粒子相結合，提供了超疏水表面的納微結構，使其具有超疏水超親油的性 質； (2) 本發明材料使用方法，不僅可以分離油水混合物，還可以分離重于水的有機物。油 (有機物)水分離系統在連續分離7天內還等保持很好的疏水性，分離效率非常高，分離工作 量能達到自身重量的萬倍以上。在分離過程中不會污染油(有機物），而且性能穩定，在不使 用時也不會發生質變，不會影響其使用； (3) 由于本發明提供的油水分離材料制備工藝簡單，只需要一步簡單的噴涂，涂層厚度 可控，不需要任何復雜的設備，原料來源廣泛，生產周期短。所有原材料和溶劑都是無毒或 低毒的，在制備的過程中，沒有與其他化學品的直接接觸的過程，就算發生直接接觸也不會 對人身安全產生明顯的影響。
【附圖說明】
[0011] 圖1為未噴涂的泡沫鎳表面的SEM圖。
[0012]圖2為實施例1中泡沫鎳容器的SEM圖。
[0013]圖3為實施例1中泡沫鎳容器在油水分離7天后的SEM圖。
【具體實施方式】
[0014]下面結合附圖及具體的實施例對本發明做進一步的說明： 實施例1: 一、材料的制備 (1)泡沫鎳表面預處理： 采用濃硫酸和濃硝酸體積比3:1對泡沫鎳容器表面進行處理后，放入乙醇溶液中進行 超聲清洗，以去除其表面油脂、灰塵等雜質，乙醇溶液質量濃度為75%，取出并自然晾干； (2) 形成所述涂層的乳液的制備： ① 將10份PU樹脂，20份FEP樹脂，30份PTFE，20份PVDF，8份滑石粉和0.8份硅烷偶聯劑經 過球磨機研磨4小時； ② 將上述80份改性樹脂，2份PDMS，18份碳納米管加入100份乙醇溶劑中后放入超聲儀 進行超聲處理，直至粉末完全分散到溶劑中； (3) 在泡沫鎳表面噴涂乳液： 采用噴嘴直徑為0.6mm的噴槍，并調整噴槍的噴嘴與待噴涂面的距離為15m，在噴涂壓 力為50kPa和移動速度為5cm/s的條件下進行噴涂，至泡沫鎳表面噴勻； (4) 材料固化： 將已進行噴涂的泡沫鎳加熱至200度，固化3小時； (5) 容器的制作： 將泡沫鎳基材制作成3cm X 3cm X 3cm正方形容器。
[0015]二、油水分離實驗 本實驗涉及到的油水分離效率，其計算公式如下：
栗的入口管連接泡沫鎳容器，并使容器置于潤滑油和水混合物中，容器中水為700ml和 潤滑油為200ml，當200ml潤滑油分離結束時，再添加200ml潤滑油，直至實驗結束;栗的出口 連接管道收集槽。調整栗壓，使潤滑油通量穩定在lSOOLn^lT 1~1800Lnf ，進行7天油水分 離（每天工作10小時）。7天后管道收集槽中吸收油95.47升，水0.86升，油水分離效率為 99.1% [ (1-0.86/95.47)*100%]，泡沫鎳容器7天后水的接觸角為131°。
[0016]三、水與有機物分離實驗： 本實驗涉及到的水與有機物分離效率，其計算公式如下：
栗的入口管連接泡沫鎳容器，并使容器位于水和氯仿混合物中（穩定保持水和氯仿的 比例為7: 2)，而栗的出口連接管道收集槽。調整栗壓，使氯仿通量穩定在^OOLn^lT1~ 43001^^^，進行5天水與有機物分離（每天工作10小時）。5天后管道收集槽中收集氯仿 180.82升，水1.27升，水與有機物分離效率為99.3% [ (1-1.27/180.82)*100%]。
[0017]圖1為未噴涂的泡沫鎳表面的SEM圖；圖2為本實施例1制備的泡沫鎳容器的SEM 圖；可以看出本實施例1制備的泡沫鎳表面呈現微納米級的粗糙結構；圖3為泡沫鎳容器在 油水分離7天后的SEM圖；可以看出腐蝕性溶液侵蝕泡沫鎳表面，導致涂層的損失，但損失 很少，所以表面還具有高疏水性。
[0018] 對比例1: (1) 將銅網分別在丙酮，無水乙醇和水中超聲清洗5分鐘； (2) 稱取1.4204g無水硫酸鈉和1.7048g二水合氯化銅，配制200ml的0.05mol/L電解質 溶液； (3) 在配制的電解質溶液中，以鉑片為陽極，將經過預處理的銅網為陰極，在0.5V電壓 下電沉積6分鐘，溫度為25°C ; (4) 上步沉積后的銅網置于距離燃燒的蠟燭火焰2cm高處進行蠟燭灰沉積4分鐘，自然 冷卻； (5) 油水分離實驗： 將制備的銅網制作成正方體，栗的入口管連接銅網容器，使容器置于潤滑油和水混合 物中（穩定保持水和潤滑油的比例為7:2)，而栗的出口連接管道收集槽。調整栗壓，使潤滑 油通量穩定在15001^^^~18001^^^，進行1天油水分離，管道收集槽中收集潤滑油12.6 升，水1.89升，油水分離效率85.0%，疏水角為106°。
[0019] 對比實施例1可以看出，油水分離效率及疏水角都有明顯的下降。
[0020] 實施例2: 一、材料的制備 (1) 泡沫銅表面預處理： 采用噴砂辦法對泡沫銅表面進行快速表面處理后放入乙醇溶液中進行超聲清洗，以去 除其表面油脂、灰塵等雜質，乙醇溶液質量濃度為75%，取出并自然晾干； (2) 形成所述涂層的乳液的制備： ① 將10份PU樹脂，20份FEP樹脂，30份PTFE，20份PVDF，8份滑石粉和2.4份硅烷偶聯劑經 過球磨機研磨4小時； ② 上述80份改性樹脂，2份TOMS，18份碳納米管加入100份乙醇溶劑后放入超聲儀進行 超聲處理，直至粉末完全分散到溶劑中； (3) 在泡沫銅表面噴涂乳液： 采用噴嘴直徑為0.2mm的噴槍，并調整噴槍的噴嘴與待噴涂面的距離為10m，在噴涂壓 力為20kPa和移動速度為2cm/s的條件下進行噴涂，至泡沫銅表面噴勻； (4) 材料固化： 將已進行噴涂的泡沫銅加熱至280度，固化3小時； (5) 容器的制作： 將泡沫銅基材制作成lcm X lcm X 9cm長方形容器。
[0021]二、油水分離實驗： 實驗方法同實施例1。7天后管道收集槽中收集油94.02升，水1.04升，油水分離效率為 98.9%。泡沫銅容器在7天后水的接觸角為132°。
[0022]三、水與有機物分離實驗： 實驗方法同實施例1。5天后管道收集槽中吸收氯仿179.37升，水1.81升水，水與有機物 分離效率為99.0%。
[0023] 實施例3: 一、材料的制備 (1) 泡沫鈦表面預處理： 采用7mol/L硝酸對泡沫鎳表面進行處理后放入乙醇溶液中進行超聲清洗，以去除其表 面油脂、灰塵等雜質，乙醇溶液質量濃度為75%，取出并自然晾干； (2) 形成所述涂層的乳液的制備： ① 將28份PU樹脂，20份PPS樹脂，25份PTFE，25份PVDF樹脂，9.8份分子篩和1份硅烷偶 聯劑經過球磨機研磨6小時，使其以后均勻分散在乳液中； ② 上述98份改性樹脂，0.01份PDMS，1.99份碳納米管加入80份正己烷溶劑后放入超聲 儀進行超聲處理，直至粉末完全分散到溶劑中； (3 )在泡沫鈦表面噴涂乳液： 采用噴嘴直徑為1mm的噴槍，并調整噴槍的噴嘴與待噴涂面的距離為20m，在噴涂壓力 為lOOkPa和移動速度為7cm/s的條件下進行噴涂，至泡沫鈦容器表面噴勻； (4) 材料固化： 將已進行噴涂的泡沫鈦加熱至220度，固化3小時； (5) 容器的制作： 將泡沫鈦基材制作成lcm X lcm X 9cm長方形容器。
[0024]二、油水分離實驗： 實驗方法同實施例1。7天后管道收集槽中吸收油96.24升，水0.77升，油水分離效率為 99.2%。7天后水的接觸角為129°。
[0025]三、水與有機物分離實驗： 實驗方法同實施例1。5天管道收集槽中吸收氯仿182.73升，水0.91升，與有機物分離效 率為99.5%。
[0026] 實施例4: 一、材料的制備 (1) 泡沫鎳表面預處理： 采用2mol/L硝酸對泡沫鎳表面進行處理后放入乙醇溶液中進行超聲清洗，以去除其表 面油脂、灰塵等雜質，乙醇溶液質量濃度為75%，取出并自然晾干； (2) 形成所述涂層的乳液的制備： ① 將15份PU樹脂，35份FEP樹脂，35份PVDF樹脂，10份PPS樹脂，9.5份粉煤灰和1份硅烷 偶聯劑經過球磨機研磨6小時； ② 上述94.99份改性樹脂，0.01份全氟辛基三乙氧基硅烷，5份納米碳化硅加入100份乙 醇溶劑后放入超聲儀進行超聲處理，直至粉末完全分散到溶劑中； (3) 在泡沫鎳表面噴涂乳液： 采用噴嘴直徑為0.4mm的噴槍，并調整噴槍的噴嘴與待噴涂面的距離為15m，在噴涂壓 力為40kPa和移動速度為4cm/s的條件下進行噴涂，至泡沫鎳容器表面噴勻； (4) 材料固化： 將已進行噴涂的泡沫鎳加熱至240度，固化3小時； (5) 容器的制作： 將泡沫鎳基材制作成3cm X 3cm X 3cm正方形容器。
[0027]二、油水分離實驗： 實驗方法同實施例1。7天后管道收集槽中吸收油101.05升，水0.61升，油水分離效率為 99.4%。7天后水的接觸角為133°。
[0028]②水與有機物分離實驗： 實驗方法同實施例1。5天后管道收集槽中吸收氯仿185.64升，水0.74升，水與有機物分 離效率為99.6%。
[0029] 實施例5: 一、材料的制備 (1) 泡沫銅表面預處理： 采用7mol/L鹽酸對泡沫銅表面進行處理后放入乙醇溶液中進行超聲清洗，以去除其表 面油脂、灰塵等雜質，乙醇溶液質量濃度為75%，取出并自然晾干； (2) 形成所述涂層的乳液的制備： ① 將22份PU樹脂，25份FEP樹脂，25份PTFE樹脂，20份PVDF，3份凹凸棒石粘土，6份分子 篩和2份硅烷偶聯劑經過球磨機研磨8小時； ② 上述92份改性樹脂，5份PDMS，2份納米疏水二氧化硅和1份碳納米管加入60份乙酸 乙酯溶劑后放入超聲儀進行超聲處理，直至粉末完全分散到溶劑中； (3) 在泡沫銅表面噴涂乳液： 采用噴嘴直徑為0.6mm的噴槍，并調整噴槍的噴嘴與待噴涂面的距離為10m，在噴涂壓 力為80kPa和移動速度為6cm/s的條件下進行噴涂，至泡沫銅表面噴勻； (4) 材料固化： 將已進行噴涂的泡沫銅在室溫下固化； (5) 容器的制作： 將泡沫銅基材制作成3cm X 3cm X 3cm正方形容器。
[0030]二、油水分離實驗： 實驗方法同實施例1。7天后管道收集槽中吸收油98.65升，水0.69升，油水分離效率為 99.3%。7天后水的接觸角為131°。
[0031]三、水與有機物分離實驗： 實驗方法同實施例1。5天后管道收集槽中吸收氯仿182.27升，水1.10升，水與有機物分 離效率為99.4%。
[0032] 實施例6: 一、材料的制備 (1) 泡沫鈦表面預處理： 采用濃鹽酸酸和濃硝酸體積比3:1對泡沫鈦表面進行處理后放入乙醇溶液中進行超聲 清洗，以去除其表面油脂、灰塵等雜質，乙醇溶液質量濃度為75%，取出并自然晾干； (2) 形成所述涂層的乳液的制備： ① 將34份PU樹脂，20份FEP，10份TFE樹脂，25份PVDF，3份滑石粉，5份粉煤灰和2.5份硅 燒偶聯劑經過球磨機研磨8小時； ② 上述89份改性樹脂，1份全氟辛基三乙氧基硅烷，10份碳納米管和5份納米碳化硅加 入80份正己烷溶劑后放入超聲儀進行超聲處理，直至粉末完全分散到溶劑中； (3 )在泡沫鈦表面噴涂乳液： 采用噴嘴直徑為0.5mm的噴槍，并調整噴槍的噴嘴與待噴涂面的距離為10m，在噴涂壓 力為60kPa和移動速度為5cm/s的條件下進行噴涂，至泡沫鈦表面噴勻； (4)材料固化： 將已進行噴涂的泡沫鈦基材加熱至150度，固化3小時； (5)容器的制作： 將泡沫鈦基材制作成lcm X lcm X 9cm長方形容器。
[0033]二、油水分離實驗： 實驗方法同實施例1。7天后管道收集槽中吸收油94.75升，水0.95升，油水分離效率為 99.0%。7天后水的接觸角為132°。
[0034]三、水與有機物分離實驗： 實驗方法同實施例1。5天后管道收集槽中吸收氯仿179.86升，水1.63升，水與有機物分 離效率為99.1%。
【主權項】
1. 一種新型油水分離材料，由基體及附著于基體表面的涂層組成，所述基體材料為泡 沫鎳、泡沫銅或泡沫鈦中的一種;形成所述基體表面涂層的乳液，按照重量份計算，其組成 為： 改性樹脂 80-98， 有機溶劑 60-100， 低表面能物質0.01-5， 納米粒子 1.99-18， 所述改性樹脂，是在聚氨酯PU、聚偏氟乙烯PVDF、氟化乙烯丙烯共聚物FEP、聚四氟乙烯 PTFE、聚苯硫醚PPS中，選取若干種，加入硅烷偶聯劑，再加入凹凸棒石粘土、分子篩、粉煤 灰、滑石粉中的一種或多種，經過球磨而獲得;上述樹脂與無機填料的重量份數比為9-12: 1，樹脂與硅烷偶聯劑的重量份數比為100:1-3; 所述有機溶劑為乙酸乙酯、乙醇、正己烷中的一種或多種的混合； 所述低表面能物質為聚二甲基硅氧烷TOMS、全氟辛基三乙氧基硅烷中的一種或兩種的 混合； 所述納米粒子為納米二氧化娃、碳納米管、納米碳化娃中的一種或多種的混合。2. 根據權利要求1所述的新型油水分離材料，其特征在于:樹脂與無機填料的重量份數 比為10:1。3. 權利要求1所述的新型油水分離材料的制備方法是： (1) 基體表面預處理； (2) 形成所述涂層的乳液的制備 將改性樹脂、低表面能物質及納米粒子加入到有機溶劑中后進行超聲處理，直至粉末 完全分散到溶劑中； (3) 基體表面涂層的制備 將步驟(2)乳液均勻涂覆于基體表面，然后進行常溫或加熱固化。4. 權利要求1所述的新型油水分離材料的使用方法是： 將新型油水分離材料制作成具有連接口的容器，容器的連接口與栗的入口固定連接， 容器置于油水混合物或有機物與水的混合物中，栗的出口連接收集槽。
【文檔編號】B01D17/022GK105879429SQ201610333634
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年5月19日
【發明人】汪懷遠, 胡玥, 朱艷吉, 李洪偉, 王池嘉
【申請人】東北石油大學