CN106512480B - 一种耐磨疏水亲油材料、其制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种耐磨疏水亲油材料，采用亲油的基底材料，将硬脂酸金属盐粘附在该基底表面，利用硬脂酸金属盐的疏水特性，在基底表面构成耐磨疏水的表面层，从而实现了耐磨、疏水、亲油的效果。该材料成本低、具有良好的疏水特性与亲油特性，可应用在油水分离技术中，实现油渗透而水不渗透网膜，适用于煤油、汽油、柴油、机油、甲苯、二氯甲烷、植物油，汽油等不与水互溶的有机溶剂与水的分离。

Description

一种耐磨疏水亲油材料、其制备方法与应用

技术领域

本发明涉及超疏水材料技术领域，尤其涉及一种耐磨疏水亲油材料、其制备方法与应用。

背景技术

水资源和石油资源都是宝贵的自然资源，含油污水的排放不仅浪费资源，而且更严重的是破坏了生态坏境，最终影响到人类的生存，所以含油污水在排放前必须加以处理。

随着工业技术的蓬勃发展，石油成为世界上最重要的能源之一。各国对石油的开采也逐渐增加，在海洋石油勘探开发中，井喷、原油泄漏、平台或钻井装置倾覆的事故时有发生。另外，随着人口的快速增长和工业化经济发展，最近几年的海上漏油事件屡屡发生，从美国的墨西哥湾和我国渤海湾油井的直接泄漏事故及近期青岛石油泄漏事件到大量的远洋油轮泄漏，对海洋生态环境造成极大的破坏。

工业污染含油废水及生活废水排放进入海洋水体系统将严重破坏海洋水生植物和动物繁殖，造成海洋生态系统的破坏，间接通过食物链方式进入人体严重危害人类健康。据统计，因为突发的溢油事故流入江河、海洋水体中的石油，每年达到300万到500万吨，不仅对生态环境造成了破坏，而且造成了巨大的经济损失。

传统的油水分离方法包括离心法、化学和物理法、吸附法、重力沉降等，然而这些方法具有一定的局限性：制备时间长、需要人工反复不断地操作、设备要求高、效率低、过程步骤复杂、二次污染、高运营成本、分离后油相和水相纯度不高等，直接影响在实际中的应用。因此，油水分离技术的研发是科技工作者的攻关课题之一，对石油开采与环境保护具有重要意义。

发明内容

针对上述技术现状，本发明提供了一种耐磨疏水亲油材料，其不仅具有良好的亲油性，同时还具有良好的疏水性，并且具有耐磨性，可作为分离膜用于油水分离。

本发明的技术方案为：一种耐磨疏水亲油材料，包括亲油的基底材料与硬脂酸盐，其中硬脂酸盐粘附在基底材料表面，形成耐磨疏水表面。

一般情况下，常温下干燥的硬脂酸金属盐呈粉末状，本发明中所述的粘附是指硬脂酸盐被固化在基底材料表面而不易脱落。该粘附方法不限，包括固化粘附，即将硬脂酸盐与A物质混合，该A物质在固化剂B作用下发生固化，从而将硬脂酸盐固化粘附在基底上形成耐磨损超疏水涂层。当采用固化粘附时，所述的A物质优选为具有低表面能聚二甲基硅氧烷(PDMS)。

本发明中，材料表面对水的接触角(θ_水)大于90°并且小于150°，即，90°<θ_水<150°时，该材料表面为疏水表面，具有疏水性。当材料表面对水的接触角大于150°并且小于等于180°，即，150°<θ_水<180°时，该材料表面为超疏水表面，具有超疏水性。

本发明中，材料表面对油的接触角(θ_油)大于0°并且小于90°，即0°<θ_油<90°时，该材料表面为亲油表面，具有亲油性。当材料表面对油的接触角等于0°时，该材料表面为超亲油表面，具有超亲油性。

当采用固化粘附，所述的A物质优选为具有低表面能聚二甲基硅氧烷(PDMS)时，本发明的耐磨疏水亲油材料表面可实现超疏水性，即，其对水的接触角大于或者等于150°。

本发明还提供了一种制备疏水亲油材料的方法，具体包括如下过程：

(1)有机金属盐和硬脂酸溶解在无水乙醇中，搅拌反应得到硬脂酸金属盐悬浮液；

聚二甲基硅氧烷(PDMS)与固化剂溶解在乙酸乙酯中，得到固化剂溶液；

所述的硬脂酸金属盐悬浮液与固化剂溶液混合，搅拌均匀得到混合溶液；

(2)将所述的混合溶液涂敷或者喷涂在清洗、干燥处理后的基底材料表面，加热固化后硬脂酸金属盐粘附在纤维布基底表面形成耐磨损的超疏水涂层；或者，将清洗、干燥处理后的基底材料浸渍在所述的混合溶液中，取出后加热固化，硬脂酸金属盐粘附在纤维布基底表面形成耐磨损的超疏水涂层。

所述的基底，其材料不限，包括纤维布、棉花、海绵(例如聚氨酯海绵、纤维素海绵等)、滤纸、泡沫金属等。

所述的步骤(1)中，清洗处理用于去除基底材料中的杂质等。作为一种实现方式，所述的清洗处理包括：将基底材料浸泡于丙酮中去除油污杂质，然后用乙醇溶液清洗纤维布表面残余的杂质和丙酮，最后用去离子水清洗干净。作为优选，所述的清洗处理都在超声中进行。

所述的步骤(1)中，所述的干燥温度优选为80-100℃。

所述的步骤(1)中，有机金属盐与硬脂酸发生反应得到硬脂酸金属盐，有机金属盐中的金属元素不限，包括铜、锌、锰、铝、铁等；有机金属盐不限，包括醋酸铜、醋酸锌、醋酸锰、醋酸铝、醋酸铁等。

所述的步骤(1)中，混合溶液中硬脂酸金属盐与PDMS的质量比优选为30:1-30:20，更优选为30:2-30:18，最优选为3:1，这时能够达到超疏水效果。

所述的低表面能物质PDMS与固化剂质量之比优选为10：1。

作为优选，所述的步骤(1)中，有机金属盐的平均粒径为100nm～200nm。

以纤维布为基底，通过简单的硬脂酸溶液改性有机金属盐具有超疏水效果，然后和聚二甲基硅氧烷和固化剂混合，将纤维布浸渍里面烘干

综上所述，本发明选用具有亲油性能的基底，将硬脂酸金属盐粘附在该基底表面，利用硬脂酸金属盐的超疏水特性，在基底表面构成疏水的表面层，从而实现了疏水亲油的效果，同时由于硬脂酸金属盐粘附在基底表面而克服了其易脱落的问题。与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：

(1)基底材料取材广泛，可以是纤维布、棉花、海绵、滤纸、泡沫金属等；

(2)一般情况下，干燥的硬脂酸金属盐呈粉末状，不易作为结构材料而应用，本发明中将硬脂酸金属盐粘附在基底表面而形成耐磨损的疏水涂层材料，具有良好的环境稳定性，因此易于在实际中应用；

(3)由于硬脂酸金属盐具有良好的超疏水特性，本发明的耐磨疏水亲油材料对水的接触角可高于150°，从而实现耐磨超疏水效果。

(4)本发明提供的制备方法操作简单，无需大型设备及严苛工艺条件，耗时短，快速高效，制备过程中无需激光刻蚀、阳极氧化等复杂过程构筑疏水亲油的油水分离膜，并且原料硬脂酸和聚二甲基硅氧烷绿色无污染无毒无害，环境友好，因此具有良好的工业发展前景，适合大面积规模生产。

因此，本发明提供的疏水亲油材料可应用在油水分离技术中，实现油渗透而水不渗透网膜，适用于煤油、汽油、柴油、机油、甲苯、二氯甲烷、植物油，汽油等不与水互溶的有机溶剂都能够有效进行油水分离。

附图说明

图1是本发明实施例1制得的纤维布薄膜涂层的表面扫描电子形貌图；

图2是本发明实施例1制得的纤维布薄膜涂层的表面扫描透射形貌图；

图3是本发明实施例1制得的纤维布薄膜涂层在空气中与水滴(5微升)的接触角图；

图4是本发明实施例3制得的纤维布薄膜涂层在空气中与油滴(5微升)的接触角图。

具体实施方式

下面结合附图实施例对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

实施例1:

本实施例中，基底材料为碳纤维布。

采用该基底材料制备超疏水超亲油材料，具体包括如下步骤：

步骤1：将碳纤维布浸泡于丙酮去除油污杂质，然后用乙醇溶液清洗干净碳纤维布表面残余溶液和丙酮，最后用去离子水清洗干净，清洗都在超声中进行操作。之后放在烘箱中在80～100℃烘干备用。

步骤2：将1g醋酸铜和2.8g的硬脂酸溶解在100ml无水乙醇中，在磁力搅拌器上匀速搅拌10min，得到硬脂酸金属盐悬浮液；

将1g低表面能物质聚二甲基硅氧烷和0.1g固化剂混合溶解在100ml乙酸乙酯中，得到固化剂溶液；

将硬脂酸金属盐悬浮液与固化剂溶液混合，搅拌均匀得到混合溶液。

步骤3、将碳纤维布多次浸渍在步骤(2)制得的混合溶液中，取出后在烘箱干燥2h，得到带有薄膜涂层的纤维布。

上述制得的纤维布薄膜涂层表面的扫描电子形貌图如图1所示，显示干燥后的PDMS和硬脂酸盐粘附在基底表面形貌。

上述制得的纤维布薄膜涂层表面的扫描透射形貌图如图2所示，显示低表面能物质PDMS和硬脂酸铜是三维交联的网状结构。

测试上述制得的纤维布薄膜涂层对水与油的表观接触角，具体测试方法为：通过点滴法，滴出5微升水滴和油滴在制得的样品表面，在样品表面取五个不同位置进行测量，通过计算分析取平均值。

测得的结果如图3所示，显示该纤维布薄膜涂层在空气中与水滴(5微升)的接触角为155.45°，如图4所示在空气中与油滴(5微升)的接触角为0°。

将上述制得的带有薄膜涂层的纤维布裁剪2cm×2cm的作为试样，将其粘在200g砝码上。然后，将粘有试样的砝码置于180目数的碳化硅砂纸上朝一个方向匀速推动25cm。重复摩擦30次后取下带有薄膜涂层的纤维布测试，纤维布的薄膜涂层表面仍然具有良好的超疏水性。

实施例2：

本实施例中，基底材料与实施例1中的基底材料完全相同。

采用该基底材料制备超疏水超亲油材料，制备方法与实施例1中的制备方法基本相同，所不同的是步骤2中，将0.2g低表面能物质聚二甲基硅氧烷和0.02g固化剂混合溶解在100ml乙酸乙酯中，得到固化剂溶液。

上述制得的纤维布薄膜涂层表面的扫描电子形貌图类似图1所示，显示干燥后PDMS和硬脂酸盐粘附在基底表面。

测试上述制得的纤维布膜对水与油的表观接触角，具体测试方法与实施例1完全相同。测得的结果为，样品对水的接触角为136.23°，对油的接触角为0°。

实施例3：

本实施例中，基底材料与实施例1中的基底材料完全相同。

采用该基底材料制备超疏水超亲油材料，制备方法与实施例1中的制备方法基本相同，所不同的是步骤2中，将0.6g低表面能物质聚二甲基硅氧烷和0.06g固化剂混合溶解在100ml乙酸乙酯中，得到固化剂溶液。

上述制得的纤维布薄膜涂层表面的扫描电子形貌图类似图1所示，显示干燥后PDMS和硬脂酸盐粘附在基底表面。

测试上述制得的纤维布薄膜涂层对水与油的表观接触角，具体测试方法与实施例1完全相同。测得的结果为，样品对水的接触角为147.62°，对油的接触角为0°。

实施例4:

本实施例中，基底材料与实施例1中的基底材料完全相同。

采用该基底材料制备超疏水超亲油材料，制备方法与实施例1中的制备方法基本相同，所不同的是步骤2中，将1.4g聚二甲基硅氧烷和0.14g固化剂混合溶解在100ml乙酸乙酯中，得到固化剂溶液。

上述制得的纤维布薄膜涂层表面的扫描电子形貌图类似图1所示，显示干燥后PDMS和硬脂酸盐粘附在基底表面。

测试上述制得的纤维布薄膜涂层对水与油的表观接触角，具体测试方法与实施例1完全相同。测得的结果为，样品对水的接触角为148.56°，对油的接触角为0°。

以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种耐磨疏水亲油材料，其特征是：包括亲油的基底材料与硬脂酸金属盐，其中硬脂酸金属盐粘附在基底材料表面，形成耐磨疏水表面；

所述的粘附为固化粘附，即，将硬脂酸金属盐与A物质混合，该A物质在固化剂B作用下发生固化，从而将硬脂酸金属盐固化粘附在基底材料表面；

所述的A物质为低表面能聚二甲基硅氧烷；

制备方法包括如下过程：

(1)有机金属盐和硬脂酸溶解在无水乙醇中，搅拌反应得到硬脂酸金属盐悬浮液；

聚二甲基硅氧烷与固化剂B溶解在乙酸乙酯中，得到固化剂溶液；

所述的硬脂酸金属盐悬浮液与固化剂溶液混合，搅拌均匀得到混合溶液；

(2)将所述的混合溶液涂敷或者喷涂在清洗、干燥处理后的基底材料表面，加热固化后硬脂酸金属盐粘附在基底材料表面；或者，将清洗、干燥处理后的基底材料浸渍在所述的混合溶液中，取出后加热固化，硬脂酸金属盐粘附在基底材料表面。

2.如权利要求1所述的耐磨疏水亲油材料，其特征是：所述的基底材料是纤维布、棉花、海绵、滤纸、泡沫金属。

3.如权利要求1所述的耐磨疏水亲油材料，其特征是：所述的硬脂酸金属盐中的金属元素包括铜、锌、锰、铝、铁。

4.如权利要求1至3中任一权利要求所述的耐磨疏水亲油材料，其特征是：所述的耐磨疏水亲油材料对水的接触角大于150°。

5.如权利要求4所述的耐磨疏水亲油材料，其特征是：所述的步骤(1)中，清洗处理包括：将基底材料浸泡于丙酮中去除油污杂质，然后用乙醇溶液清洗纤维布表面残余的杂质和丙酮，最后用去离子水清洗干净。

6.如权利要求4所述的耐磨疏水亲油材料，其特征是：干燥处理过程的干燥温度为80～100℃。

7.如权利要求4所述的耐磨疏水亲油材料，其特征是：所述的步骤(1)中，有机金属盐中的金属元素包括铜、锌、锰、铝、铁。

8.如权利要求4所述的耐磨疏水亲油材料，其特征是：所述的有机金属盐包括醋酸铜、醋酸锌、醋酸锰、醋酸铝、醋酸铁。

9.如权利要求4所述的耐磨疏水亲油材料，其特征是：所述的步骤(1)中，混合溶液中硬脂酸金属盐与PDMS的质量比为30:1-30:20。

10.如权利要求4所述的耐磨疏水亲油材料，其特征是：所述的步骤(1)中，混合溶液中硬脂酸金属盐与PDMS的质量比为30:2-30:18。

11.如权利要求4所述的耐磨疏水亲油材料，其特征是：所述的步骤(1)中，混合溶液中硬脂酸金属盐与PDMS的质量比为3:1。

12.如权利要求1至11中任一权利要求所述的耐磨疏水亲油材料在油水分离中的应用。