CN111888799B - 一种聚丙烯腈/还原氧化石墨烯复合吸油材料的制备方法 - Google Patents

一种聚丙烯腈/还原氧化石墨烯复合吸油材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

一种聚丙烯腈/还原氧化石墨烯复合吸油材料的制备方法，属于吸油材料领域，可解决现有聚合物多孔吸油材料吸油倍率低、制备工艺复杂，成本高以及可再生性低的问题，本发明将聚丙烯腈纤维短切至3‑5mm，放入粉碎机中分散均匀，浸润到还原氧化石墨烯水溶液中，超声处理10‑30min，密封在容器中，放在烘箱中水热反应，冷却至室温。用蒸馏水洗涤反应产物后放入冰箱中冷冻，最后在冷冻干燥机中完成干燥，制得聚丙烯腈/还原氧化石墨烯复合吸油材料。本发明以聚丙烯腈纤维为骨架、还原氧化石墨烯为增强相，利用水热法和冷冻干燥制得了具有超轻、饱和吸油倍率高、吸油速率快、结构稳定、可多次循环使用的吸油材料，广泛用于油污泄漏等领域。

Description

一种聚丙烯腈/还原氧化石墨烯复合吸油材料的制备方法
技术领域
本发明属于吸油材料技术领域，具体涉及一种聚丙烯腈/还原氧化石墨烯复合吸油材料的制备方法。
背景技术
快速的工业发展，海上石油生产和海上运输都为社会的进步做出了巨大的贡献。然而，由此带来的石油和有毒有机溶剂泄漏事故给人类健康和生态环境带来了严重的危害。因此，全球仍在寻求有效的方法来解决如何从水中收集溢出的油和有机溶剂的问题。目前，为了分离油水混合物，已经采用了许多方法，例如撇油器，原位燃烧，化学分散剂，吸油材料和其他分离方法。在这些方法中，由于吸油材料生产成本低、快速便捷且不产生二次污染等优点，被认为是解决油类及有毒有机溶剂泄漏的最有前途的方法之一。
尽管许多常见的吸油材料（例如沸石，活性炭，纤维毡）具有广泛的实际应用，但这些吸附剂因选择性差，循环性能差，吸附能力低，无法有效地处理污染物等缺陷限制了它的发展。与之相反，多孔弹性的吸油材料由于具有高比表面积和较强的疏水性而被用于原油以及有机污染物的吸收。然而，大多聚合物多孔材料复杂的制备工艺、高昂的生产成本以及较低的可再生性限制了其大规模应用。因而，开发高效、高吸附能力、可回收性高以及低成本的多孔弹性吸附材料就显得尤为重要。
发明内容
本发明针对现有聚合物多孔吸油材料吸油倍率低、制备工艺复杂，成本高以及可再生性低的问题，提供一种聚丙烯腈/还原氧化石墨烯复合吸油材料的制备方法。
本发明采用如下技术方案：
一种聚丙烯腈/还原氧化石墨烯复合吸油材料的制备方法，包括如下步骤：
第一步，将聚丙烯腈纤维切为3-5mm，放入粉碎机中剪切，并使其分散均匀；
第二步，将氧化石墨烯、还原剂和蒸馏水按比例混合，配制成还原氧化石墨烯水溶液，将第一步得到的聚丙烯腈纤维和还原氧化石墨烯水溶液混合，待聚丙烯腈纤维完全浸润后，超声处理10-30min，得到糊状的聚丙烯腈/还原氧化石墨烯分散液；
第三步，将第二步得到的聚丙烯腈/还原氧化石墨烯分散液密封在容器中，放入温度为80±20℃的烘箱中水热处理3-8h，自然冷却；
第四步，将第三步得到的产物，用蒸馏水洗涤后，放入冰箱中，在-40±15℃条件下冷冻6-12 h，之后放入冷冻干燥机中干燥，最终得到聚丙烯腈/还原氧化石墨烯复合吸油材料。
第一步中所述聚丙烯腈纤维包括长丝和短丝，直径为10-12微米。
第二步中所述还原剂包括抗坏血酸，氧化石墨烯和还原剂的质量比为2:1-10。
第二步中所述还原氧化石墨烯水溶液中氧化石墨烯和蒸馏水的质量比为1-12:2000。
第二步中所述聚丙烯腈纤维和氧化石墨烯的质量比为20:1-10。
第二步中所述还原氧化石墨烯水溶液中还包括硅烷偶联剂，所述硅烷偶联剂包括KH-550、KH-570、KH-151，所述硅烷偶联剂的添加量为聚丙烯腈纤维质量的1-20%。
本发明的有益效果如下：
聚丙烯腈和石墨烯是两种常见的低表面能的材料。而且，与其他通用疏水性纤维不同，聚丙烯腈纤维不仅具有良好的热稳定性而且在脂肪族/芳香族烃类、大多数醇类以及醚类溶剂中具有很好的惰性。通过还原氧化石墨烯充当复合材料的增强相，不仅可以增加材料的弹性、机械强度和纤维之间的紧密程度，而且还能使材料具有超强的吸油能力和良好的油水分离效果。因此，可以通过水热法和冷冻干燥实现聚丙烯腈/还原氧化石墨烯基复合材料的制备并将其用于油类以及有毒有机溶剂泄露等领域。制得的复合吸油材料具有超轻、饱和吸油倍率高、吸油速率快、结构稳定、可多次循环使用的特点。
1.本发明的原材料来源广泛，制备工艺简单、高效、成本低且无污染。具有一定的经济效益。
2.本发明通过水热法和冷冻干燥实现了聚丙烯腈纤维与还原氧化石墨烯的复合，还原氧化石墨烯的加入不仅提高了材料的机械强度，弹性和疏水性而且使得吸油材料的吸油倍率大大提高。
3. 本发明制备的吸油材料具有高的比表面积且内部有发达的空洞结构，使得吸油材料在油水分离方面表现出优异的性能。
4.本发明制备的吸油材料可以循环利用几十次，且吸附性能不发生明显变化。在一定程度上节约了自然资源。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的聚丙烯腈/还原氧化石墨烯复合吸油材料的扫描电镜图。
图2为本发明实施例1制备的聚丙烯腈/还原氧化石墨烯复合吸油材料表面的静态接触角照片。
图3是实施1例下制备的聚丙烯腈/还原氧化石墨烯复合吸油材料的回弹压缩性能测试示意图，图3(a)为压缩前图片，图3(b)为进行压缩的图片，图3(c)为压缩回弹后图片，材料仍能恢复到压缩前状态，高度几乎没有变化。
图4为本发明实施例4制备的聚丙烯腈/还原氧化石墨烯复合吸油材料表面的静态接触角照片。
具体实施方式
实施例1
第一步，将聚丙烯腈纤维长度短切为5mm，然后放入粉碎机中进一步剪切并使纤维分散均匀，称取0.1g聚丙烯腈纤维备用。
第二步，配置还原氧化石墨烯水溶液：将30mg的氧化石墨烯，30mg抗坏血酸与30g蒸馏水混合，在转速为500rpm磁力搅拌机中搅拌30min。将第一步称取的0.1g聚丙烯腈纤维与还原氧化石墨烯水溶液混合，待聚丙烯腈纤维完全浸润后，超声分散20min，得到糊状的聚丙烯腈/还原氧化石墨烯分散液。
第三步，将第二步得到的聚丙烯腈/还原氧化石墨烯分散液密封后，放入温度为80℃的烘箱中水热处理3h，自然冷却。
第四步，将第三步得到的产物，用蒸馏水洗涤三次后放入冰箱中，在-30℃条件下冷冻12h。之后放入冷冻干燥机中干燥，最终得到聚丙烯腈/还原氧化石墨烯复合吸油材料。其SEM图如图1所示，水滴在该吸附材料纵向表面的接触角照片如图2所示。从图中可以看出，复合材料具有良好的疏水性，可进行有效的油水分离。
将该实施例中所得样品进行吸油实验，称取0.05g样品放入盛有一定量油的烧杯中浸润3min，使之充分接触，将之取出平放在金属网上5min，称量吸油后的样品质量为3.27g，由此可以计算得到样品的吸附质量为自身体重的64.5倍。
实施例2
第二步中氧化石墨烯的质量为15 mg，抗坏血酸质量为15 mg，聚丙烯腈纤维质量为0.3 g，其余步骤同实施例1。
实施例3
第二步中氧化石墨烯的质量为180 mg，抗坏血酸质量为180 mg，聚丙烯腈纤维质量为0.1 g，其余步骤同实施例1。
水滴在该吸附材料纵向表面的接触角照片如图4所示。从图中可以看出，硅烷偶联剂的加入可以一定程度的提高复合材料的水接触角，使得材料的疏水性能更佳。
实施例4
在第二步的还原氧化石墨烯水溶液中加入0.01g硅烷偶联剂（KH-550），在转速为500rpm磁力搅拌机中搅拌10min。其余步骤同实施例1。
本发明制备的复合吸油材料的性能检测如下表所示。
Figure RE-RE-DEST_PATH_IMAGE001

Claims (6)

1.一种聚丙烯腈/还原氧化石墨烯复合吸油材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
第一步，将聚丙烯腈纤维切为3-5mm，放入粉碎机中剪切，并使其分散均匀；
第二步，将氧化石墨烯、还原剂和蒸馏水按比例混合，配制成还原氧化石墨烯水溶液，将第一步得到的聚丙烯腈纤维和还原氧化石墨烯水溶液混合，待聚丙烯腈纤维完全浸润后，超声处理10-30min，得到糊状的聚丙烯腈/还原氧化石墨烯分散液；
第三步，将第二步得到的聚丙烯腈/还原氧化石墨烯分散液密封在容器中，放入温度为80±20℃的烘箱中水热处理3-8h，自然冷却；
第四步，将第三步得到的产物，用蒸馏水洗涤后，放入冰箱中，在-40±15℃条件下冷冻6-12 h，之后放入冷冻干燥机中干燥，最终得到聚丙烯腈/还原氧化石墨烯复合吸油材料。
2.根据权利要求1所述的一种聚丙烯腈/还原氧化石墨烯复合吸油材料的制备方法，其特征在于：第一步中所述聚丙烯腈纤维包括长丝和短丝，直径为10-12微米。
3.根据权利要求1所述的一种聚丙烯腈/还原氧化石墨烯复合吸油材料的制备方法，其特征在于：第二步中所述还原剂包括抗坏血酸，氧化石墨烯和还原剂的质量比为2:1-10。
4.根据权利要求1所述的一种聚丙烯腈/还原氧化石墨烯复合吸油材料的制备方法，其特征在于：第二步中所述还原氧化石墨烯水溶液中氧化石墨烯和蒸馏水的质量比为1-12:2000。
5.根据权利要求1所述的一种聚丙烯腈/还原氧化石墨烯复合吸油材料的制备方法，其特征在于：第二步中所述聚丙烯腈纤维和氧化石墨烯的质量比为20:1-10。
6.根据权利要求1所述的一种聚丙烯腈/还原氧化石墨烯复合吸油材料的制备方法，其特征在于：第二步中所述还原氧化石墨烯水溶液中还包括硅烷偶联剂，所述硅烷偶联剂包括KH-550、KH-570、KH-151，所述硅烷偶联剂的添加量为聚丙烯腈纤维质量的1-20%。
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