CN114082225A - 一种具有自修复功能的无氟超疏水油水分离网材料及其制备方法 - Google Patents

一种具有自修复功能的无氟超疏水油水分离网材料及其制备方法 Download PDF

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刘锡鲁
李晖
祝磊
张建强
朱旭
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Abstract

本发明涉及一种具有自修复功能的无氟超疏水油水分离网材料及其制备方法，属于新材料技术领域。首先对不锈钢网表面进行预清洗；接着通过水热合成法在不锈钢网表面原位生长镍铁层状双氢氧化物(NiFe‑OH)纳米阵列结构；然后再将该金属网浸泡在PDMS溶液中修饰该阵列结构，从而得到超疏水金属网。因为PDMS具有表面能低、绿色无毒、黏附性好、高温可重组、化学惰性强等优点，所以利用NiFe‑OH纳米阵列结构和PDMS的协同作用制备具有自修复功能的无氟超疏水不锈钢网。该不锈钢网膜展现出高的通量和截留率以及优异的循环使用性；此外，该金属网膜还具有出色的耐酸碱性和耐磨损性，即使在使用过程中受损，也可以通过热处理实现功能自修复。因此，这种简单而低成本的无氟超疏水自修复金属网制备技术有望在含油污水处理领域中实现大规模推广应用。

Description

一种具有自修复功能的无氟超疏水油水分离网材料及其制备 方法
技术领域
本发明涉及一种油水分离材料，具体涉及一种具有自修复功能的无氟超疏水油水分离网材料及其制备方法，属于新材料技术领域。
背景技术
在当今海上溢油、原油泄露等事故频发，产生了大量的含油污水，造成了严重的资源浪费和环境污染，并对人类健康和生物生长造成严重的威胁，因此急需研发高效含油污水处理技术。传统的油水分离方法包括气浮、重力、离心、吸附、絮凝等，但这些方法存在成本高、效率低、易产生二次污染等问题。
膜分离技术因其设备简单、能耗低、效率高、无相变等优点受到了广泛的关注。到目前为止，已经研发了各种各样的油水分离膜，包括陶瓷膜、聚合物分子膜、纤维膜、沸石膜等，但是这些膜普遍存在机械性能差、制备工艺复杂、易受堵塞等问题。与这些膜材料相比，金属网膜不仅具有力学性能强、韧性高、制备简单、成本低等优点，而且它孔径均匀可控、容易改性、使用方便，因此，在含油污水处理中潜力巨大。
众所周知，表面浸润性是决定膜材料油水分离性能的关键因素，其中，超疏水超亲油性在含油污水分离中展现出独特的优势。受荷叶启发，人们发现超疏水表面的构建取决于两个关键因素：(1)构筑微纳结构提高表面粗糙度(2)组分改性降低表面能。目前，研究人员已经提出了各种构建人工超疏水表面的方法，如气相沉积、化学接枝、浸涂、喷涂和电化学改性等。但是，这些方法在制备超疏水材料时普遍都使用了危害环境的含氟化合物；并且这些材料的超疏水稳定性较差，在使用过程中很容易受到机械磨损导致表面超疏水功能失效。因此，急需研发具有自修复功能的无氟超疏水金属网膜材料。
本专利报道了一种具有自修复功能的无氟超疏水金属网材料及其简易制备方法。首先利用简单的一步水热法在不锈钢网表面成功生长了镍铁层状双氢氧化物(NiFe-OH)纳米阵列结构，再利用聚二甲基硅氧烷(PDMS)修饰该阵列结构表面。其中，PDMS具有表面能低、绿色无毒、黏附性好、高温可重组、化学惰性强等优点。NiFe-OH纳米阵列与低表面能PDMS涂层协同作用，有助于该表面获得优异的超疏水性和良好的耐久性。所制备的NiFe-OH/PDMS超疏水金属网材料可以在没有外力的情况下分离多种油/水混合物，展现出高的通量和截留率以及优异的循环使用性；此外，该金属网膜还具有出色的耐酸碱性和耐磨损性，即使在使用过程中受损，也可以通过热处理实现功能自修复。因此，这种简单而低成本的超疏水自修复金属网制备技术有望在含油污水处理领域中实现大规模推广应用。
发明内容
本发明目的是采用一种低成本的简易方法制备具有自修复功能的无氟超疏水高效油水分离网材料。
下面简要阐明本发明的实现过程。首先对不锈钢网表面进行预清洗；接着通过水热合成法在不锈钢网表面原位生长镍铁层状双氢氧化物(NiFe-OH)；然后再将该金属网浸泡在PDMS溶液中进行表面修饰，从而得到具有层片状结构的超疏水超亲油不锈钢网。
本发明具体涉及一种具有自修复功能的无氟超疏水高效油水分离网材料及其制备方法，其通过以下具体步骤实现：
(1)不锈钢网预清洗：先将不锈钢网(5cm×5cm)依次用丙酮溶液、酸溶液、去离子水超声清洗十分钟；最后用乙醇浸泡五分钟，干燥待用。
(2)混合溶液的制备：1-10mmol的六水合硝酸铁、0.1-1mmol的九水合硝酸镍、30-50mmol的尿素和10-20mmol的氟化铵溶于去离子水中，室温下磁力搅拌三十分钟制备成混合溶液。
(3)NiFe-OH纳米层状结构的生长：将上述混合溶液倒入聚四氟乙烯内衬中，然后再将清洗干净的不锈钢网浸入其中，放入反应釜中在120℃下水热反应6h，反应完后取出不锈钢网用去离子水超声清洗五分钟，干燥备用。
(4)PDMS修饰：PDMS、固化剂的摩尔比为10：1，将其溶于正己烷中，室温下磁力搅拌三十分钟制备成PDMS溶液；将水热反应干燥后得到的不锈钢网浸泡在PDMS溶液中三十分钟，随后干燥，即可得到成品超疏水金属网材料。
本发明目的是采用一种简单的方法制备一种具有自修复功能并且能够高效分离含油污水的不锈钢网，以期在含油污水处理领域中实现大规模推广应用。
附图说明：
附图1为本发明所制备的不锈钢网的扫描电子显微镜图。
附图2为本发明所制备的不锈钢网自修复前后的接触角图。
附图3为本发明所制备的不锈钢网对油水混合物的分离过程图。
具体实施方式：
下面结合附图和实施来详细描述本发明。
实施例1
称取0.472g六水合硝酸镍、0.0504g九水合硝酸铁、2.4g尿素和0.592g氟化铵溶于160ml去离子水中，室温下磁力搅拌30分钟配置成混合溶液，随后将混合溶液倒入200ml的聚四氟乙烯内衬中，再将不锈钢网(5cm×5cm)浸入其中，放入反应釜中在120℃下水热反应6h，之后将不锈钢网取出放入去离子水中超声清洗5分钟，放入干燥箱中干燥备用。
称取1gPDMS和0.1g固化剂溶于100ml的正己烷中，磁力搅拌30分钟，将上述制备好的不锈钢网浸入PDMS溶液浸泡30分钟，随后取出放入干燥箱中干燥，即可得到成品超疏水金属网材料。
附图1为本发明所制备的不锈钢网的扫描电子显微镜图。从图中可以看到，纳米片厚约20nm，长宽约1um，纳米片在不锈钢网上均匀地分布，PDMS包覆在纳米片结构上，形成了疏水粗糙表面。
附图2为本发明所制备的不锈钢网的自修复前后的接触角图。从图中看出小刀刻损后不锈钢网疏水角为138°，失去超疏水性；热处理后疏水角为154°，恢复超疏水性，证明该不锈钢网材料具有自修复的功能。
附图3为本发明所制备的不锈钢网的油水分离过程图。从图中可以看到，油水混合物分离前呈油水两相分层状，分离后的滤液十分干净，且分离过程始终保持超高的通量和效率，结果表明所制备的不锈钢网具有优异的油水分离性能，分离后的水能够达到国家污水排放标准。

Claims (2)

1.一种具有自修复功能的无氟超疏水油水分离网材料及其制备方法，具体通过以下方法获得：
(1)先将不锈钢网依次用丙酮溶液、酸溶液、去离子水超声清洗十分钟，最后用乙醇浸泡五分钟，干燥待用。
(2)再把1-10mmol的六水合硝酸铁、0.1-1mmol的九水合硝酸镍、30-50mmol的尿素和10-20mmol的氟化铵溶于去离子水中，室温下磁力搅拌三十分钟制备成混合溶液；将混合溶液倒入聚四氟乙烯内衬中，然后将清洗干净的不锈钢网浸入其中，放入反应釜中在120℃下水热反应6h，反应完取出不锈钢网用去离子水超声清洗五分钟，干燥备用。
(3)取PDMS、固化剂的摩尔比为10：1，将其溶于正己烷中，室温下磁力搅拌三十分钟制备成PDMS溶液；将水热反应干燥后得到的不锈钢网浸泡在PDMS溶液中三十分种，随后取出干燥，即得到成品超疏水金属网。
2.基于权利要求1所述方法制备的一种具有自修复功能的无氟超疏水油水分离网材料，其特征在于，该金属网的NiFe-OH纳米阵列与低表面能PDMS涂层协同作用，有助于该表面获得优异的超疏水性和良好的耐久性，即使在金属网磨损失效后，通过热处理又可实现功能自修复。
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