CN109825179B - 一种水性超亲水超疏油涂料及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

一种水性超亲水超疏油涂料及其制备方法和应用，室温下，将水性氟碳表面活性剂、聚醚改性有机硅流平剂、分散剂、增稠剂、去离子水加入反应釜中搅拌；接着加入亲水性气相二氧化硅纳米颗粒和硅微粉搅拌；最后加入水性树脂搅拌。该方法可以实现空气中超亲水超疏油，且简单易行，避免了有机溶剂的使用，只使用水做溶剂。

Description

一种水性超亲水超疏油涂料及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及化工新材料领域，具体涉及一种水性超亲水超疏油涂料及其制备方法和应用。

背景技术

含油废水的排放，海上油泄漏均给环境带来了破坏，超亲水超疏油涂层作为一种特殊浸润性涂层，可以根据水滴和油滴在其表面的润湿性不同，将油水混合液中的油与水分离开来，是一种高效的油水分离工具，在处理油污染等方面具有应用前景。目前，其中一类疏油方式是水下疏油，如，中国专利CN106634275A中报道了由羟基丙烯酸树脂及其固化剂作为底漆，聚乙烯醇及其纳米粒子作为面漆，制备了一种超亲水/水下超疏油涂料。Xu等制备了一种由二氧化硅纳米颗粒和十七氟壬酸改性的二氧化钛溶胶的混合涂料，用这种涂料改性的聚酯织物和聚氨酯海绵可用于油水混合物的可控过滤。【参考文献：Angew.Chem.Int.Ed.Engl.2015,54,4527–4530】然而水下疏油的方式在实际应用中有很多限制，如，使用环境受限，灵活性低，效率差等。另一类超疏油方式是空气中疏油，如，Brown等利用层层自组装的方法，在玻璃基底上先后喷涂聚二烯丙基二甲基氯化铵，二氧化硅纳米粒子，聚二烯丙基二甲基氯化铵，含氟表面活性剂，制备了超亲水/超疏油涂料。【参考文献：Scientific Reports 2015,5,14030】但这种制备过程复杂，除此之外，制备过程还使用了丙酮、乙醇等有机溶剂。

发明内容

解决的技术问题：本发明提供了一种水性超亲水超疏油涂料及其制备方法和应用，该方法可以实现空气中超亲水超疏油，且简单易行，避免了有机溶剂的使用，只使用水做溶剂。

技术方案：一种水性超亲水超疏油涂料的制备方法，包含下列步骤：1)室温下，按质量比，将3-7份水性氟碳表面活性剂和1-5份聚醚改性有机硅流平剂、0.1-0.2份分散剂、1-5份增稠剂、60-100份去离子水加入反应釜中搅拌均匀；2)接着加入1-3份粒径为10-40纳米的亲水性气相二氧化硅纳米颗粒和1-3份粒径为1-10微米的硅微粉，搅拌均匀；所述亲水性气相二氧化硅纳米颗粒与硅微粉之间的比例为5:(1-3)；3)最后加入7-12份水性树脂，搅拌均匀，所述水性树脂为丙烯酸、聚氨酯、聚乙烯醇、水性有机硅树脂和水性环氧树脂中的至少一种。

上述水性氟碳表面活性剂为含有六碳氟链的水性阴离子氟碳表面活性剂、水性聚氨酯类氟碳表面活性剂、全氟烷基二乙醇胺磷酸盐表面活性剂和水性乙氧基类非离子型氟碳表面活性剂中的至少一种；所述增稠剂为聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇或聚丙烯酰胺中的至少一种；所述分散剂为三聚磷酸钠、六偏磷酸钠或焦磷酸钠中的至少一种。

上述制备方法制得的水性超亲水超疏油涂料。

上述水性超亲水超疏油涂料在制备超亲水超疏油涂层中的应用。

上述应用包含如下步骤：采用喷涂、浸涂、刷涂或旋涂的方法，在基底上涂覆水性超亲水超疏油涂料，厚度为0.3mm；在80-200℃温度下干燥10-30min，即可获得水性超亲水超疏油涂层。

上述基底为不锈钢网、多孔纤维膜、玻璃纤维布或海绵。

上述水性超亲水超疏油涂层在空气中具有超亲水性和超疏油性，对水的接触角为0°，十六烷的接触角为150.2°。

上述水性超亲水超疏油涂层在油水混合物过滤处理中的应用。

有益效果：(1)本发明所制备的水性超亲水超疏油涂层在空气中对水的接触角为0°，具有超亲水性。同时在空气中还具有超疏油性，具有对十六烷等油滴低粘附的特性，不易被油污粘附，具备一定的防污性；

(2)本发明所制备的水性超亲水超疏油涂层可应用于油水混合物的过滤处理。

(3)本发明使用的主要原料是亲水颗粒与水性树脂，易得，成本低，硅微粉的加入使得涂层抗腐蚀性、抗抗压性、耐磨性、导热系数均有所增加，且制备过程无需使用有机溶剂，只使用水做溶剂，对环境友好；

(4)利用水性聚合物溶液均可有效粘结纳米二氧化硅粒子与硅微粉，提高超亲水超疏油涂料的附着力，且高温下也可以保持其附着力，从而为油水分离的长效分离提供了保障。

(5)助剂的加入，有效改善了颗粒的分散效果，同时还提高了涂层的强度。

附图说明

图1为实施例1水性超亲水超疏油涂层表面形貌SEM图；

图2为实施例2水性超亲水超疏油涂层效果图；

图3为实施例3水性超亲水超疏油涂层水接触角示意图；

图4为实施例3水性超亲水超疏油涂层油接触角示意图(十六烷，150.2)；

图5为实施例4水性超亲水超疏油涂层用于油水分离实物图。

具体实施方式

以下实施例只为说明本发明的技术构思和特点，不应理解为本发明的限制。在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改和替换，均属于本发明的范围。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。

实施例1

室温下，将4g六碳氟链的水性阴离子氟碳表面活性剂，0.1g三聚磷酸钠，1g聚醚改性有机硅流平剂，2g聚乙烯吡咯烷酮加入80g去离子水中，以150转/分钟的速度磁力搅拌20min后，再加入3g粒径为10纳米的亲水性气相纳米二氧化硅颗粒以及1g粒径为1微米硅微粉，以150转/分钟的速度磁力搅拌30min后，加入6g聚氨酯和3g丙烯酸的混合溶液，以130转/分钟的速度磁力搅拌30min，得到水性超亲水超疏油涂料。采用喷涂的方法，将所得涂料涂覆到纤维布上，将所得纤维布放入80℃的烘箱固化30min，即可得到超亲水超疏油涂层。图1为超亲水/超疏油涂层表面形貌SEM图，从图中可以看出，氟碳表面活性剂与二氧化硅纳米粒子形成了微米级团聚体，均匀地覆盖在玻璃纤维布上，同时微米级团聚体是由纳米级团聚体以及硅微粉构成，形成了团聚体纳米级-微米级粗糙结构，为空气中亲水疏油的特殊浸润性提供了条件。

实施例2

室温下，将3.5g水性聚氨酯类氟碳表面活性剂和1g六碳氟链的水性阴离子氟碳表面活性剂的混合溶液，0.1g份六偏磷酸钠，2g聚醚改性有机硅流平剂，4g聚乙烯醇加入60g去离子水中，以250转/分钟的速度磁力搅拌20min后，再加入2.5g粒径为40纳米的亲水性气相纳米二氧化硅颗粒以及1.2g粒径为10微米的硅微粉，以300转/分钟的速度磁力搅拌30min后，加入6g水性丙烯酸溶液，以150转/分钟的速度磁力搅拌30min，得到水性超亲水超疏油涂料。采用浸涂的方法，将所得涂料涂覆到不锈钢网上，将所得不锈钢网放入100℃的烘箱固化25min，即可得到超亲水超疏油涂层。图2为超亲水/超疏油涂层效果图，从图中可以看出十六烷以及大豆油以近乎球型的形态保持在不锈钢网上，不会浸过不锈钢网，而水滴则迅速在不锈钢网上铺展、浸润，表明本方法提出的制备方法所制备的涂料具有超亲水超疏油性质。

实施例3

室温下，将6.5g全氟烷基二乙醇胺磷酸盐表面活性剂，0.1g六偏磷酸钠和0.1g焦磷酸钠的混合溶液，4g聚醚改性有机硅流平剂，3g聚乙烯醇加入90g去离子水中，以350转/分钟的速度磁力搅拌20min后，再加入3g粒径为30纳米的亲水性气相纳米二氧化硅颗粒以及1.8g粒径为10微米的硅微粉，以400转/分钟的速度磁力搅拌30min后，加入11.7g水性丙烯酸溶液，以300转/分钟的速度磁力搅拌30min，得到水性超亲水超疏油涂料。采用喷涂的方法，将所得涂料涂覆到纤维膜上，将所得纤维膜放入150℃的烘箱固化20min，即可得到超亲水超疏油涂层。图3为水滴在涂有超亲水/超疏油涂料的纤维膜表面的接触角状态，经测量，水滴的接触角为0°，表现了极好的亲水性。图4为油滴(十六烷)在涂有超亲水/超疏油涂料的纤维膜表面的接触角状态，经测量，油滴(十六烷)的接触角为150.2°，表现了在空气中良好的疏油性。综上表明，发明的涂料具有良好的超亲水/超疏油特性。

实施例4

室温下，将7g水性乙氧基类非离子型氟碳表面活性剂，0.1g焦磷酸钠，4g聚醚改性有机硅流平剂，2.5g聚乙烯吡咯烷酮和2g聚丙烯酰胺的混合溶液，加入100g去离子水中，以250转/分钟的速度磁力搅拌20min后，再加入2.5g粒径为40纳米的亲水性气相纳米二氧化硅颗粒以及1g粒径为5微米的硅微粉，以400转/分钟的速度磁力搅拌30min后，加入12g聚氨酯，以300转/分钟的速度磁力搅拌30min，得到水性超亲水超疏油涂料。采用刷涂的方法，将所得涂料涂覆到不锈钢网上，将所得不锈钢网放入200℃的烘箱固化10min，即可得到超亲水超疏油涂层。图5为大豆油/水混合物的分离过程，经过涂有超亲水/超疏油涂料的不锈钢网，大豆油和水实现了完全分离，在分离装置的下端，只有水渗透过不锈钢网进入收集装置，而大豆油被隔离在网的上端，水中无明显的油滴存在，油中也无明显的水滴存在，表明该超亲水/超疏油涂料有利于油水混合物的分离。

以下为上述4个实施例下的涂层分离效率(η)。分离效率(η)具体计算方法为：

其中，m₀为分离前水的质量，m为分离后收集装置中水的质量。

Claims (6)

1.一种水性超亲水超疏油涂料的制备方法，其特征在于包含下列步骤：1）室温下，按质量比，将3-7份水性氟碳表面活性剂和1-5份聚醚改性有机硅流平剂、0.1-0.2份分散剂、1-5份增稠剂、60-100份去离子水加入反应釜中搅拌均匀；2）接着加入1-3份粒径为10-40纳米的亲水性气相二氧化硅纳米颗粒和1-3份粒径为1-10微米的硅微粉，搅拌均匀；所述亲水性气相二氧化硅纳米颗粒与硅微粉之间的比例为5:（1-3）；3）最后加入7-12份水性树脂，搅拌均匀，所述水性树脂为丙烯酸、聚氨酯、聚乙烯醇、水性有机硅树脂和水性环氧树脂中的至少一种；所述水性氟碳表面活性剂为含有六碳氟链的水性阴离子氟碳表面活性剂、水性聚氨酯类氟碳表面活性剂、全氟烷基二乙醇胺磷酸盐表面活性剂和水性乙氧基类非离子型氟碳表面活性剂中的至少一种；所述增稠剂为聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇或聚丙烯酰胺中的至少一种；所述分散剂为三聚磷酸钠、六偏磷酸钠或焦磷酸钠中的至少一种。

2.权利要求1所述制备方法制得的水性超亲水超疏油涂料。

3.权利要求2所述水性超亲水超疏油涂料在制备超亲水超疏油涂层中的应用。

4.根据权利要求3所述的应用，其特征在于包含如下步骤：采用喷涂、浸涂、刷涂或旋涂的方法，在基底上涂覆水性超亲水超疏油涂料，厚度为0.3mm；在80-200℃温度下干燥10-30min，即可获得水性超亲水超疏油涂层。

5.根据权利要求4所述的应用，其特征在于所述基底为不锈钢网、多孔纤维膜、玻璃纤维布或海绵。

6.根据权利要求3所述的应用，其特征在于所述水性超亲水超疏油涂层在空气中具有超亲水性和超疏油性，对水的接触角为0°，十六烷的接触角为150.2°。

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