CN108159735A - 一种具有超双疏性的铜网及其制备方法和用途 - Google Patents

一种具有超双疏性的铜网及其制备方法和用途 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有超双疏性的铜网及其制备方法和用途，通过激光直写技术在铜片表面加工出微孔阵列，将铜片制备成铜网，然后用激光进行表面微处理，加工出微纳双重结构，获得超双疏性铜网，其具有油下超疏水和水下超疏油性能，可同时用于过滤轻油和重油。本发明的铜网可用于油水分离，具有原材料来源广泛、价格低廉、制备工艺简单可靠、油水分离率高、可同时分离轻油和重油、稳定性好等优点。

Description

一种具有超双疏性的铜网及其制备方法和用途
技术领域
本发明属于功能材料领域，具体涉及一种具有超双疏性的铜网及其制备方法和用途。
背景技术
油水分离已经引起了人们的广泛关注，其不仅涉及科学研究，也涉及环境、社会和经济问 题。一方面，频繁的漏油会造成严重的环境污染和巨大的能源损失。另一方面，石化、纺织、 冶金、食品、皮革等工业造成的含油废水日益增多，已成为世界上最常见的污染物。针对这些 巨大的挑战，研究人员致力于开发有效廉价的油水分离方法。各种方法已广泛应用，如离心分 离、重力分离、撇渣、气浮和生物处理等。虽然这些方法可以分离大部分的油水，但是分离效 率低、生成二次污染物、成本高和装置体积大等缺点，限制其进一步的应用。
近年来，水下超疏油材料得到了广泛的应用。到目前为止，各种材料如CaCO3，Cu(OH)2， TiO2，ZnO和氧化石墨烯等都可用于制备水下超疏油材料。与其他分离方法相比，这种材料分 离效率高、装置简单、成本低，而且仅靠重力驱动，节约能源，具有更广阔的应用前景。但它 依然存在无法过滤重油这一问题，因为密度大的下层重油会阻碍密度小的上层水通过滤网。目 前还没有一种能高效分离重油、清油与水的混合液体的材料或方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供了一种具有超双疏性的铜网及其制备方 法和用途，具有原材料来源广泛、价格低廉、制备工艺简单可靠、油水分离率高、可以高效地 分离重油和轻油与水的混合液体、稳定性好等优点。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案之一是：
一种具有超双疏性的铜网的制备方法，包括：
1)用激光在铜片表面加工出微孔阵列，制备得到铜网；所述激光为波长1000～1100nm、 脉冲持续时间90～110ns的光纤脉冲激光，焦距设置为325～335mm，照射在铜片表面的光斑 直径为45～55μm；
2)用激光扫描步骤1)得到的铜网的表面，加工出微纳双重结构，即为所述具有超双疏性 的铜网；扫描次数为3～18次，激光扫描线间距为0.05～0.5mm，功率为22～26W，功率密 度为61～62J/cm2，扫描速度为980～1020mm/s。
一实施例中：所述步骤1)中，得到的微孔为边长60～120μm的方孔。
一实施例中：所述步骤2)中，扫描次数为5次、10次、15次；所述激光扫描线间距为0.1mm、0.15mm、0.2mm、0.25mm、0.3mm、0.35mm、0.4mm。
一实施例中：所述步骤2)中，扫描次数越多越好。
一实施例中：所述步骤2)中，激光扫描线间距为0.3mm。
一实施例中：所述步骤1)结束后应立即进行步骤2)。
一实施例中：所述铜片在加工前放入无水乙醇中超声清洗。
一实施例中：所述铜片在加工时应当固定，防止位移。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案之二是：
一种上述制备方法所制备的具有超双疏性的铜网。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案之三是：
一种上述具有超双疏性的铜网在油水分离、轻油重油分离中的用途。
本发明中所涉及的方法如无特殊说明，均为本领域常规方法；本发明所采用的试剂、材料 等，如无特殊说明，均为本领域常规试剂、材料且可从商业途径购买得到。
本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点：
1)本发明的制备方法灵活方便，无需后处理，只要简单操作即可制备出所需铜网，易于 推广。
2)本发明制备的铜网表面无涂层，无需担心使用过程中涂层受损，影响铜网使用寿命。
3)本发明采用的原材料来源广泛，容易获取，价格低廉。
4)因为金属铜具有一定的抗腐蚀能力，所以本发明制备的铜网也可以在一些恶劣的情况 下使用。
5)本发明的超双疏性铜网油水分离效果良好，几乎可分离所有的油水混合物，分离率高 达98％。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1为本发明实施例制备的铜网的实物图。
图2为本发明实施例制备的铜网的SEM图。
图3为本发明实施例制备的铜网在水下的油接触角和在油下的水接触角示意图。
图4为本发明实施例制备的铜网用于分离轻油(煤油)和重油(1.2二氯乙烷)的实验装 置图。
图5为本发明实施例制备的铜网在盐水(10％wt)，盐酸溶液(1mol/L)和氢氧化钠溶液 (1mol/L)中的油接触角。
图6为本发明实施例制备的铜网的性能在激光扫描时，与激光扫描次数和间距的关系图。
具体实施方式
下面通过实施例具体说明本发明的内容：
实施例
1)选用纯度99.99％、直径26mm、厚度1mm的铜片，将铜片放在无水乙醇中超声清洗10min；
2)用激光在铜片表面加工出微孔阵列，制备得到铜网；所述激光为波长1064nm、脉冲持 续时间100ns的光纤脉冲激光，焦距设置为329mm，照射在铜片表面的光斑直径为50μm； 铜片在激光加工时需要用透明胶带固定，防止在激光加工时出现位移；如图2所示，铜网上较 小的方孔即为加工得到的微孔，微孔边长可为60～120μm，平均约为100μm；
3)加工出微孔阵列后，最好立即用激光扫描得到的铜网的表面进行微处理，扫描次数为5～ 15次，例如5次、10次、15次；激光扫描线间距为0.1～0.4mm，例如为0.1mm、0.15mm、 0.2mm、0.25mm、0.3mm、0.35mm、0.4mm；功率为24W，功率密度为61.16J/cm2，扫描速度为1000mm/s；激光扫描后，如图2所示，铜网表面在较小的方孔阵列周围出现较大的方格状网格，微孔、网格及铜网的表面形貌共同形成大量的微纳双重结构，即为具有超双疏性的 铜网，其微纳双重结构比微米或纳米结构具有更好的油下疏水和水下疏油性能。
将铜网置于水或不同种类的油中，通过接触角测量仪测量铜网表面的油或水的接触。图3为本发明实施例制备的铜网在水下的油接触角和在油下的水接触角示意图，油在水中的接触角 和水在油中的接触角均大于150°，证明铜网具有超双疏性。图3(a)和(c)表明铜网在空气 中亲水亲油，图3(b)和(d)表明铜网在水下疏油和在油下疏水。图3(e)左侧说明铜网在 水中对几种不同的油都处于水下超疏油状态，右侧表明铜网在不同的油中都是油下超疏水。
将铜网安装在油水过滤装置中，往实验装置中倒入油和混合物进行油水分离，油和水被顺 利分离。如图4所示，本发明实施例制备的铜网用于分离轻油(煤油)和重油(1.2二氯乙烷)， 轻油和重油均被成功分离出来。
将具有腐蚀性的液体和油的混合液，倒入过滤装置中，进行油水分离。油和腐蚀液被顺利 分离。如图5所示，本发明实施例制备的铜网在盐水(10wt％)，盐酸溶液(1mol/L)和氢氧 化钠溶液(1mol/L)中的油接触角，接触角均大于150°，说明铜网具有良好的抗腐蚀性，对 环境适应性强。
通过电子秤测量分离前后的油的质量，测算油水分离的效率，均高达98％以上。
图6为本发明实施例制备的铜网的性能在激光扫描时，与激光扫描次数和间距的关系图。 图6(a)和(b)分别表明分离轻油和重油的效率与激光扫描次数及间距的关系(图中每一扫 描间距组内的三个柱形从左至右分别代表以此扫描间距扫描5次、10次、15次)；图6(c)和(d)分别表明水下油接触角和油下水接触角与激光扫描次数及间距的关系；图6(e)和(f) 分别表明水通量和油通量与激光扫描次数及间距的关系；图6(g)和(h)分别表明铜网所能 承载油和水的压力与激光扫描次数及间距的关系。相对而言，当扫描次数最大，扫描间距为0.3 mm时，铜网性能最好。
以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明 专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。

Claims (10)

1.一种具有超双疏性的铜网的制备方法，其特征在于：包括：
1)用激光在铜片表面加工出微孔阵列，制备得到铜网；所述激光为波长1000～1100nm、脉冲持续时间90～110ns的光纤脉冲激光，焦距设置为325～335mm，照射在铜片表面的光斑直径为45～55μm；
2)用激光扫描步骤1)得到的铜网的表面，加工出微纳双重结构，即为所述具有超双疏性的铜网；扫描次数为3～18次，激光扫描线间距为0.05～0.5mm，功率为22～26W，功率密度为61～62J/cm2，扫描速度为980～1020mm/s。
2.根据权利要求1所述的具有超双疏性的铜网的制备方法，其特征在于：所述步骤1)中，得到的微孔为边长60～120μm的方孔。
3.根据权利要求1所述的具有超双疏性的铜网的制备方法，其特征在于：所述步骤2)中，扫描次数为5次、10次、15次；所述激光扫描线间距为0.1mm、0.15mm、0.2mm、0.25mm、0.3mm、0.35mm、0.4mm。
4.根据权利要求1所述的具有超双疏性的铜网的制备方法，其特征在于：所述步骤2)中，扫描次数越多越好。
5.根据权利要求1所述的具有超双疏性的铜网的制备方法，其特征在于：所述步骤2)中，激光扫描线间距为0.3mm。
6.根据权利要求1所述的具有超双疏性的铜网的制备方法，其特征在于：所述步骤1)结束后应立即进行步骤2)。
7.根据权利要求1所述的具有超双疏性的铜网的制备方法，其特征在于：所述铜片在加工前放入无水乙醇中超声清洗。
8.根据权利要求1所述的具有超双疏性的铜网的制备方法，其特征在于：所述铜片在加工时应当固定，防止位移。
9.一种权利要求1至8中任一项所述的制备方法所制备的具有超双疏性的铜网。
10.一种权利要求9所述的具有超双疏性的铜网在油水分离、轻油重油分离中的用途。
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