CN107029454A - 一种光响应性油水分离滤纸及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光响应性油水分离滤纸及其制备方法，是采用浸涂法，将滤纸浸渍于由纳米二氧化硅颗粒、光响应性聚合物、固化剂和有机溶剂均匀混合的溶液中，超声分散，然后取出自然晾干或真空干燥，制得光响应性油水分离滤纸。本发明公开的制备方法简单、成本低、稳定性好，制得的滤纸具有光响应性能，可选择性进行油水分离，对不同的油水混合物都具有良好的分离效果，应用前景广阔。

Description

一种光响应性油水分离滤纸及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种光响应性油水分离滤纸及其制备方法，属于有机无机复合功能材料技术领域。
背景技术
含油废水主要来自石油开采、原油泄漏、船舶压舱水以及化工、钢铁、食品、纺织、机械加工等行业，含油污水破坏生态平衡，危害人类健康。对含油污水进行处理，有利于水环境的改善；通过油水分离可去除成品油中的水分等杂质，提高油品质量。利用材料的特殊浸润性对油和水的不同界面作用来实现油水分离，已成为推动油水分离技术发展的重要突破口。与传统的油水分离材料相比，具有特殊浸润性的油水分离材料具有高效性和高选择性。目前，具有特殊浸润性的油水分离材料主要包括除油和除水两类。随着人们对含油水处理和油水分离要求的不断提高，对油水分离技术和材料提出了新的挑战。
环境响应性聚合物具有独特的可控亲疏水行为，此类聚合物在外界环境条件变化刺激下可由疏水变为亲水或由亲水变为疏水，这种独特的选择性能使其在表面工程和油水分离器件领域具有广泛的应用前景。中国专利CN105085844A公开了一种用于油水分离的具有温控润湿特性的两嵌段共聚物及其制备方法，共聚物中含聚N-异丙基丙烯酰胺而表现出温度响应的亲疏水性。中国专利CN104531118A公开了一种具有智能特性的纳米驱油剂的制备方法，将温度敏感性聚合物与亲水性聚合物、疏水性聚合物通过共价键接枝到纳米粒子表面，经复配后得到具有温度响应特性的智能纳米驱油剂。中国专利CN1031111096A公开了一种具有水下超疏油性质的响应性油水分离膜及其制备方法，得到的网膜具有温度和pH双重响应特性，实现可控油水分离。中国专利CN104841293A公开了一种具有二氧化碳刺激响应的油水分离纳米纤维膜及其制备方法，可以选择性的进行油水分离。此外，中国专利CN105194907A公开了一种具有pH响应性油水分离铜网的制备方法，中国专利CN105148563A公开了湿度响应性超亲水超疏油油水分离膜及其制备方法，中国专利CN103945924A公开了在水性介质中表现出疏油性和亲油性可转变的表面改性膜和其它表面改性基材。
在保持高油水分离效率的前提下，利用通用材料，简化工艺过程，提高稳定性，降低造价，实现油水分离材料的大规模制备与应用是该领域的发展方向。与金属网膜或其他硬质材料相比，纸基材料具有柔软、易成形等优点，制备油水分离材料具有独特优势。迄今为止，以纸为基材制备油水分离材料的报道较少。Wang Suhao等(ACSAppl.Mater.Interfaces，2010，2，677-683)利用聚苯乙烯将二氧化硅纳米粒子粘附在普通滤纸表面，制备的超疏水/超亲油滤纸可清除水面漂浮的油污。中国专利CN102225273A公开了一种超疏水超亲油纸基分离材料的制备方法，利用硅烷化试剂对二氧化硅纳米粒子溶胶进行改性，将滤纸浸泡其中自然晾干，即得超疏水亲油纸基分离材料。中国专利CN104492276A公开了一类用于强酸、强碱、高盐环境下的油水分离膜的制备方法，以滤纸为可支撑多孔基底，将其与含羟基的亲水性聚合物共交联，得到具有多重网络结构的水凝胶包覆的滤纸网膜。尽管上述纸基油水分离材料的制备均涉及到聚合物，但聚合物不具有环境响应性。鉴于环境响应性聚合物在油水分离方面表现出的独特选择性，将其与纸基材料结合，对于智能化油水分离材料的发展可望迈出重要一步，亟待进一步探索。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是提供光响应性油水分离滤纸及其制备方法。
本发明所述光响应性油水分离滤纸的制备方法，是采用浸涂法，将滤纸浸渍于特制的由纳米二氧化硅颗粒、光响应性聚合物、固化剂和有机溶剂均匀混合的溶液中，超声分散，然后取出自然晾干或真空干燥，即制得光响应性油水分离滤纸；其中，所述滤纸为平均孔径为1～50微米的普通定性或定量滤纸；所述超声分散的时间是20～60s；所述自然晾干的时间是24～48h；所述真空干燥的方法是：室温条件下真空干燥6～12h；
其特征在于：
所述的混合溶液是按重量比计，将纳米二氧化硅颗粒:光温度响应性聚合物:固化剂:有机溶剂为1～5:0.5～5.0:0.1～1:50～100进行混合，超声分散30～50分钟后制成；其中：
所述的纳米二氧化硅粒径为20～100纳米；
所述的光响应性聚合物为甲基丙烯酸缩水甘油酯与偶氮类丙烯酸酯的共聚物，其结构式为：
其中n＝5～30，m＝70～95，k＝0、2或6，R＝OCH3、OCH2CH3或NO2；
所述的固化剂为乙二胺、二乙烯三胺、三乙烯四胺、四乙烯五胺、多乙烯多胺中的一种或其几种任意体积比的混合物；
所述的有机溶剂是甲苯、四氢呋喃、N，N-二甲基甲酰胺、二氯甲烷、二甲基亚砜中的一种或其几种任意体积比的混合物。
上述的光响应性油水分离滤纸的制备方法中：所述的混合溶液优选是按重量比计，将纳米二氧化硅颗粒:光响应聚合物:固化剂:有机溶剂为2～4:1:0.2:80～100进行混合，超声分散30分钟后制成；其中：所述的纳米二氧化硅颗粒粒径优选为40～60纳米，所述的光响应聚合物优选为分子量在5～50kDa的甲基丙烯酸缩水甘油酯-偶氮类丙烯酸酯共聚物，所述的固化剂优选为乙二胺、二乙烯三胺、三乙烯四胺、四乙烯五胺或多乙烯多胺，所述的有机溶剂优选是甲苯、四氢呋喃、N，N-二甲基甲酰胺、二氯甲烷或二甲基亚砜。
进一步的，所述固化剂优选是乙二胺，所述有机溶剂优选是四氢呋喃。
本发明所述制备方法制得的光响应性油水分离滤纸。
本发明公开的光响应油水分离滤纸及其制备方法具有以下特点及效果：
(1)本发明提出了一种简单的光响应油水分离滤纸的制备方法，是通过浸涂法一步得到光响应油水分离滤纸，简捷快速，且原料组分配比和实验条件易控制。
(2)本发明所述制备方法得到的油水分离滤纸具有光响应性。由于偶氮基团具有光异构化作用，即对紫外光和可见光的交替作用产生响应：紫外光照射下，偶氮基团由反式构型转化为顺式构型，分子极性增大导致聚合物亲水性增强；在可见光照射下，偶氮基团由顺式构型回复为反式构型，分子极性减小导致聚合物疏水性增强。滤纸表面包覆光响应聚合物膜，在紫外光/可见光的交替照射下，会对油水混合物的分离产生选择性，起到“开关”作用。
(3)本发明提供的油水分离滤纸通过聚合物中的环氧基团在固化剂作用下开环缩聚，并与纳米二氧化硅颗粒和纸基材料偶联，有利于提高涂层的附着力。
具体实施方式
为易于进一步理解本发明，下列实施例将对本发明作进一步阐述。这些实施例具有一定的代表性，不能囊括本发明所有实例，仅用于更加清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围。
实施例1
(1)甲基丙烯酸缩水甘油酯-6-[4-(4-乙氧基苯基偶氮)酚氧基]己基丙烯酸酯共聚物的制备
按摩尔比计，将甲基丙烯酸缩水甘油酯、6-[4-(4-乙氧基苯基偶氮)酚氧基]己基丙烯酸酯、引发剂偶氮二异丁腈(AIBN)以10:90:1的摩尔比混合溶解于一定体积的苯甲醚中，对反应容器进行液氮冷冻-抽真空-充氮气处理，循环三次。在氮气保护下，将反应容器置于65℃恒温油浴中，电磁搅拌下反应10h。待体系冷却后，加入适量四氢呋喃将产物稀释，并在石油醚中沉淀。再次溶解-沉淀后，室温下真空干燥24h，得到甲基丙烯酸缩水甘油酯-6-[4-(4-乙氧基苯基偶氮)酚氧基]己基丙烯酸酯共聚物。
(2)以重量比计，将1g粒径为40～60纳米的二氧化硅颗粒、1.0g甲基丙烯酸缩水甘油酯-6-[4-(4-乙氧基苯基偶氮)酚氧基]己基丙烯酸酯共聚物、0.2g乙二胺、50mL四氢呋喃混合，超声30min至均匀分散；
(3)将中速定性滤纸(平均孔径30～50微米)完全浸渍于混合液中，超声分散30s后取出自然晾干24h。
(4)油水分离实验：将体积比为1:2的石油醚(沸点60～90℃)与去离子水的混合物(亚甲基蓝染色)超声分散均匀，倒入上述步骤(3)得到的滤纸中，滤液为无色透明液体(石油醚)，而蓝色透明液体(去离子水)残留于滤纸内。利用紫外光照射滤纸内残留液体，5～10min后蓝色液体逐渐透过滤纸进入滤液，再向滤纸中倒入油水混合物，则只有水被滤出，而石油醚残留于滤纸内。将紫外光撤去，分离实验在可见光下进行，又恢复到原状态：即滤液为石油醚，而去离子水残留于滤纸内。该实验可反复循环。
实施例2
(1)甲基丙烯酸缩水甘油酯-6-[4-(4-乙氧基苯基偶氮)酚氧基]己基丙烯酸酯共聚物的制备
制备方法同实施例1。
(2)以重量比计，将1.5g纳米二氧化硅颗粒(粒径为20～60纳米)、1.0g甲基丙烯酸缩水甘油酯-6-[4-(4-乙氧基苯基偶氮)酚氧基]己基丙烯酸酯共聚物、0.2g乙二胺、50mL四氢呋喃混合，超声30min至均匀分散；
(3)将中速定性滤纸(平均孔径30～50微米)完全浸渍于混合液中，超声分散30s后取出自然晾干24h。
(4)油水分离实验同实施例1。
实施例3
(1)甲基丙烯酸缩水甘油酯-6-[4-(4-乙氧基苯基偶氮)酚氧基]己基丙烯酸酯共聚物的制备
制备方法同实施例1。
(2)以重量比计，将2g纳米二氧化硅颗粒(粒径为50～100纳米)、1.0g甲基丙烯酸缩水甘油酯-6-[4-(4-乙氧基苯基偶氮)酚氧基]己基丙烯酸酯共聚物、0.2g乙二胺、50mL四氢呋喃混合，超声30min至均匀分散；
(3)将中速定性滤纸(平均孔径30～50微米)完全浸渍于混合液中，超声分散30s后取出自然晾干24h。
(4)油水分离实验同实施例1。
实施例4
(1)甲基丙烯酸缩水甘油酯-2-[4-(4-乙氧基苯基偶氮)酚氧基]乙基丙烯酸酯共聚物的制备
按摩尔比计，将甲基丙烯酸缩水甘油酯、2-[4-(4-乙氧基苯基偶氮)酚氧基]乙基丙烯酸酯、引发剂偶氮二异丁腈(AIBN)以20:80:1的摩尔比混合溶解于一定体积的苯甲醚中，对反应容器进行液氮冷冻-抽真空-充氮气处理，循环三次。在氮气保护下，将反应容器置于65℃恒温油浴中，电磁搅拌下反应10h。待体系冷却后，加入适量四氢呋喃将产物稀释，并在石油醚中沉淀。再次溶解-沉淀后，室温下真空干燥24h，得到甲基丙烯酸缩水甘油酯-2-[4-(4-乙氧基苯基偶氮)酚氧基]乙基丙烯酸酯共聚物。
(2)以重量比计，将1g纳米二氧化硅颗粒(粒径为40～60纳米)、1.0g甲基丙烯酸缩水甘油酯-2-[4-(4-乙氧基苯基偶氮)酚氧基]乙基丙烯酸酯共聚物、0.2g乙二胺、50mL四氢呋喃混合，超声30min至均匀分散；
(3)将中速定性滤纸(平均孔径30～50微米)完全浸渍于混合液中，超声分散30s后取出自然晾干24h。
(4)油水分离实验同实施例1。
实施例5
(1)甲基丙烯酸缩水甘油酯-2-[4-(4-乙氧基苯基偶氮)酚氧基]乙基丙烯酸酯共聚物的制备
制备方法同实施例4。
(2)以重量比计，将1.5g纳米二氧化硅颗粒(粒径为30～50纳米)、1.0g甲基丙烯酸缩水甘油酯-2-[4-(4-乙氧基苯基偶氮)酚氧基]乙基丙烯酸酯共聚物、0.2g乙二胺、50mL四氢呋喃混合，超声30min至均匀分散；
(3)将中速定性滤纸(平均孔径30～50微米)完全浸渍于混合液中，超声分散30s后取出自然晾干24h。
(4)油水分离实验同实施例1。
实施例6
(1)甲基丙烯酸缩水甘油酯-2-[4-(4-乙氧基苯基偶氮)酚氧基]乙基丙烯酸酯共聚物的制备
制备方法同实施例4。
(2)以重量比计，将2.0纳米二氧化硅颗粒(粒径为40～60纳米)、1.0g甲基丙烯酸缩水甘油酯-2-[4-(4-乙氧基苯基偶氮)酚氧基]乙基丙烯酸酯共聚物、0.2g乙二胺、50mL四氢呋喃混合，超声30min至均匀分散；
(3)将中速定性滤纸(平均孔径30～50微米)完全浸渍于混合液中，超声分散30s后取出自然晾干24h。
(4)油水分离实验同实施例1。
实施例7
(1)甲基丙烯酸缩水甘油酯-2-[4-(4-硝基苯基偶氮)酚氧基]乙基丙烯酸酯共聚物的制备
按摩尔比计，将甲基丙烯酸缩水甘油酯、2-[4-(4-硝基苯基偶氮)酚氧基]乙基丙烯酸酯、引发剂偶氮二异丁腈(AIBN)以20:80:1的摩尔比混合溶解于一定体积的苯甲醚中，对反应容器进行液氮冷冻-抽真空-充氮气处理，循环三次。在氮气保护下，将反应容器置于65℃恒温油浴中，电磁搅拌下反应10h。待体系冷却后，加入适量四氢呋喃将产物稀释，并在石油醚中沉淀。再次溶解-沉淀后，室温下真空干燥24h，得到甲基丙烯酸缩水甘油酯-2-[4-(4-硝基苯基偶氮)酚氧基]乙基丙烯酸酯共聚物。
(2)以重量比计，将1g纳米二氧化硅颗粒(粒径为60～90纳米)、1.0g甲基丙烯酸缩水甘油酯-2-[4-(4-硝基苯基偶氮)酚氧基]乙基丙烯酸酯共聚物、0.2g乙二胺、50mL四氢呋喃混合，超声30min至均匀分散；
(3)将中速定性滤纸(平均孔径30～50微米)完全浸渍于混合液中，超声分散30s后取出自然晾干24h。
(4)油水分离实验同实施例1。
实施例8
(1)甲基丙烯酸缩水甘油酯-2-[4-(4-硝基苯基偶氮)酚氧基]乙基丙烯酸酯共聚物的制备
制备方法同实施例7。
(2)以重量比计，将1.5g纳米二氧化硅颗粒(粒径为40～60纳米)、1.0g甲基丙烯酸缩水甘油酯-2-[4-(4-硝基苯基偶氮)酚氧基]乙基丙烯酸酯共聚物、0.2g乙二胺、50mL四氢呋喃混合，超声30min至均匀分散；
(3)将中速定性滤纸(平均孔径30～50微米)完全浸渍于混合液中，超声分散30s后取出自然晾干24h。
(4)油水分离实验同实施例1。
实施例9
(1)甲基丙烯酸缩水甘油酯-2-[4-(4-硝基苯基偶氮)酚氧基]乙基丙烯酸酯共聚物的制备
制备方法同实施例7。
(2)以重量比计，将1.5g纳米二氧化硅颗粒(粒径为30～60纳米)、1.0g甲基丙烯酸缩水甘油酯-2-[4-(4-硝基苯基偶氮)酚氧基]乙基丙烯酸酯共聚物、0.2g乙二胺、50mL四氢呋喃混合，超声30min至均匀分散；
(3)将中速定性滤纸(平均孔径30～50微米)完全浸渍于混合液中，超声分散30s后取出自然晾干24h。
(4)油水分离实验同实施例1。
从油水分离实验结果可以看出：本发明所述的油水分离滤纸具有光响应性，主要源于聚合物中偶氮基团的在紫外光/可见光交替作用下，产生顺-反异构转换作用，分子构型转换导致分子极性变化，进而使聚合物亲水性/疏水性产生可逆变化，进一步对油水混合物的分离产生选择性，起到“开关”作用。

Claims (4)

1.一种光响应性油水分离滤纸的制备方法，是采用浸涂法，将滤纸浸渍于特制的由纳米二氧化硅颗粒、光响应性聚合物、固化剂和有机溶剂均匀混合的溶液中，超声分散，然后取出自然晾干或真空干燥，即制得光响应性油水分离滤纸；其中，所述滤纸为平均孔径为1～50微米的普通定性或定量滤纸；所述超声分散的时间是20～60s；所述自然晾干的时间是24～48h；所述真空干燥的方法是：室温条件下真空干燥6～12h；
其特征在于：
所述的混合溶液是按重量比计，将纳米二氧化硅颗粒:光响应性聚合物:固化剂:有机溶剂为1～5:0.5～5.0:0.1～1:50～100进行混合，超声分散30～50分钟后制成；其中：
所述的纳米二氧化硅粒径为20～100纳米；
所述的光响应性聚合物为甲基丙烯酸缩水甘油酯与偶氮类丙烯酸酯的共聚物，其结构式为：
其中n＝5～30，m＝70～95，k＝0、2或6，R＝OCH3、OCH2CH3或NO2；
所述的固化剂为乙二胺、二乙烯三胺、三乙烯四胺、四乙烯五胺、多乙烯多胺中的一种或其几种任意体积比的混合物；
所述的有机溶剂是甲苯、四氢呋喃、N，N-二甲基甲酰胺、二氯甲烷、二甲基亚砜中的一种或其几种任意体积比的混合物。
2.根据权利要求1所述的光响应性油水分离滤纸的制备方法，其特征在于：所述的混合溶液是按重量比计，将纳米二氧化硅颗粒:光响应聚合物:固化剂:有机溶剂为2～4:1:0.2:80～100进行混合，超声分散30分钟后制成；其中：所述的纳米二氧化硅颗粒粒径为40～60纳米，所述的光响应聚合物为分子量在5～50kDa的甲基丙烯酸缩水甘油酯-偶氮类丙烯酸酯共聚物，所述的固化剂为乙二胺、二乙烯三胺、三乙烯四胺、四乙烯五胺或多乙烯多胺，所述的有机溶剂是甲苯、四氢呋喃、N，N-二甲基甲酰胺、二氯甲烷或二甲基亚砜。
3.根据权利要求2所述光响应性油水分离滤纸的制备方法，其特征在于：所述固化剂是乙二胺，所述有机溶剂是四氢呋喃。
4.权利要求1、2或3所述制备方法制得的光响应性油水分离滤纸。
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