CN115006996B - 一种不对称润湿性的Janus木膜、制备方法及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种不对称润湿性的Janus木膜、制备方法及其应用，制备方法包括：将木材浸于溶液中加热，制得超亲水木材；将超亲水木材置于模具中，暴露一个切面；将装入模具中的超亲水木材真空浸渍于染色剂与疏水剂的混合溶液中；根据浸渍深度，对浸渍后的超亲水木材进行切割，得到不对称润湿性Janus木膜；Janus木膜设有若干木材孔道，所述木材孔道贯穿Janus木膜的亲水层和疏水层；Janus木膜在吸收和过滤亲/疏性液体分离的应用。本发明制备出的木膜实现了液体沿木膜厚度方向的选择性运输，具有液体吸收和过滤为一体的亲/疏性液体分离功能。

Description

一种不对称润湿性的Janus木膜、制备方法及其应用
技术领域
本发明属于复合材料技术领域，涉及一种不对称润湿性的Janus木膜、制备方法及其应用。
背景技术
1991年Gennes在诺贝尔演讲中首次使用Janus来指代含有两种不同化学组成或性能的非对称结构。疏水/亲水型Janus膜具有反向梯度润湿性，在液体输送、油水分离和雾收集等方面具有广阔的应用前景。Janus膜的亲水层和疏水层的厚度的精准调控可以实现油水分离。当亲水层比疏水层薄时，可以实现油滴的单向渗透，称为“除油”过程；而当疏水层比亲水层薄时，将有助于水滴的单向渗透，称为“除水”过程。Janus膜实现工程应用中高效定向液体输送和油水分离，需要满足三个关键要素：（1）跨膜有足够的润湿性梯度来驱动输送；（2）内部多孔结构，具有快速输送液体的通道；（3）平衡运输效率和机械性能的合适材料基体。现作为Janus膜的主要基底有棉织物、金属、泡沫金属等，这些基底生产周期长、成本高。
木材具有的分层结构和自然规则三维结构（排列的通道、管胞和导管）对液体的运输具有重要意义。然而，由于压差的损失和自身的亲水性，木材虽然保持了排列的通道/流道结构，但却失去了液体定向传输功能。现有方法所制备的Janus木膜无法实现在厚度方向的液体运移，也无法实现对水、油、雾的收集利用。
一种水分刺激响应型木材驱动器的制备方法（授权号CN 109719817B），在木材内部形成一个湿度响应梯度层，利用赋予了驱动器附加的超疏水功能特性。但木材驱动器有厚度的限制，厚度小于等于1.0mm，吸水层吸水能力受到厚度的影响，导致木材驱动器变形只能在一定范围内；水分在木材驱动器孔道中压差损失，无法实现在木材驱动器中定向运移液体。
一种高通量超疏水木材、其制备方法及其应用（授权号CN 113499760A），将木材脱木素处理，然后将木材冰冻并进行冷冻干燥，再将其浸泡于聚二甲基硅氧烷溶液中，取出于固化，即制得高通量超疏水木材。但该发明进行油水分离时，必须依靠重力驱动，因此只能对重油/水这一类污水进行分离，无法对复杂的油水混合污染物进行分离，无法实现反重力的收集与分离。通过脱木素处理的方法增加孔隙率来达到高通量的目的，但随着超疏水木材厚度的增加，通量会显著下降，重力的驱动作用会减小，油水分离的效果不佳。
具有不对称润湿性及高效雾气收集能力的Janus泡沫铜的制备方法（授权号CN110656328A），所制备的Janus泡沫铜具有高效的水油收集能力。但基材泡沫铜作为均质性材料，需要人为蚀刻孔道，并且在此基础上构建微纳结构，构建条件苛刻，温度过高，时间过长。构造润湿性差异时，采用喷涂技术，调节喷涂距离和疏水剂浓度，忽视了喷涂时间对疏水层厚度的影响。构造的疏水层仅在泡沫铜的表面，长时间使用会出现疏水层与泡沫铜分离的现象。
一种在纤维素材料表面进行不对称润湿性改性的方法（授权号CN 114182523A），在纤维素材料表面构成微纳粗糙结构，将处理后纤维素材料的单侧润湿后待用，将纤维素材料未被润湿的一侧进行超疏水改性，之后取出干燥，将纤维素材料未超疏水改性的一侧面酸性溶液改性，清洗干燥后得到不对称润湿性的纤维素材料。但通过漂浮在疏水有机溶剂和酸性溶液上分别进行亲水改性和疏水改性，经过干燥处理的纤维素材料容易发生皱缩，导致漂浮改性法无法使表面亲水化和疏水化达到均匀，会对其在油水分离、水分收集效率上产生影响。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种不对称润湿性的Janus木膜、制备方法及其应用，Janus木膜实现了液体沿木膜厚度方向的选择性运输，具有液体吸收和过滤为一体的亲/疏性液体分离功能。
为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：
一种不对称润湿性的Janus木膜的制备方法，包括以下步骤：
将木材浸于溶液中加热，制得超亲水木材；
将超亲水木材置于模具中，暴露一个切面；
将装入模具中的超亲水木材真空浸渍于染色剂与疏水剂的混合溶液中；
根据浸渍深度，对浸渍后的超亲水木材进行切割，得到不对称润湿性Janus木膜。
可选的，木材浸于NaOH和Na2SO3的混合溶液；所述混合溶液中NaOH的摩尔浓度为2-6mol/L，所述混合溶液中Na2SO3的摩尔浓度为0.2-0.8mol/L。
可选的，加热温度为90-100℃，加热时间为15-18h。
可选的，在0.1MPa下真空浸渍，浸渍时间6-48h，浸渍深度为0.5mm~8mm。
可选的，将超亲水木材置于模具后，通过室温固化剂密封模具与超亲水木材之间的缝隙。
可选的，模具的材质包括金属、塑料、无机非金属和石蜡中的一种；室温固化剂包括脂肪族多胺、脂环族多胺、低分子聚酰胺、改性芳胺中的一种；暴露的切面包括横切面、径切面和弦切面中的一种。
可选的，染色剂包括番红、苏木素、胭脂红和地衣红中的一种；疏水剂包括十六烷基三甲氧基硅烷、十八烷基异氰酸酯、十八胺、十八硫醇和乙烯基三乙氧基硅烷中的一种。
可选的，染色剂与疏水剂的质量比为3~5∶100。
一种不对称润湿性的Janus木膜，Janus木膜包括亲水层和疏水层， Janus木膜设有若干木材孔道，所述木材孔道贯穿Janus木膜的亲水层和疏水层。
一种不对称润湿性的Janus木膜在吸收和过滤亲/疏性液体分离的应用。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
本发明操作方法简单，原料易得，成本低廉，处理周期短，能耗低，便于大批量生产；
本发明充分利用木材天然孔道，构建了润湿性的梯度结构，实现了液体沿木膜厚度方向的选择性运输，液体运输行为具有定向、高效、快速的特点；
本发明制作的木膜兼具液体吸收和过滤为一体的亲/疏性液体分离功能，分离通量高、抗污染，可回收循环使用；
本发明解决了木材孔道运移液体时压差不足，导致无法定向运移液体的难题。
附图说明
图1所示为本发明实施例制备出不对称润湿性Janus木膜的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应该理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合二得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
出于本说明书和所附权利要求书的目的，除非另有陈述，否则所有表达量、百分数或比例的数字及本说明书和所附权利要求书中所用的其他数值被理解为在所有情况下都由术语“约”修饰。此外，本文公开的所有范围都包括端点在内且可独立组合。
实施例一：
如图1所示，一种不对称润湿性的Janus木膜的制备方法，包括以下步骤：
S1，将木材浸于NaOH（2mol/L）和Na2SO3（0.2mol/L）的混合溶液中，在90℃下油浴加热15h，制备出高渗透性、高孔隙率的超亲水木材；
S2，将高渗透性、高孔隙率的超亲水木材置于硅胶模具中，只暴露横切面一个切面；
S3，通过脂肪族多胺密封硅胶模具与超亲水木材之间的缝隙；
S4，将装入模具并密封后的超亲水木材真空浸渍于番红和十六烷基三甲氧基硅烷组成的混合溶液中，染色剂与疏水剂的质量比为3∶100，真空浸渍6h，压力为0.1MPa；
S5，根据番红染色的深度，通过使用金刚石线切割机对真空浸渍完的木材进行切割，得到厚度为0.5mm的不对称润湿性Janus木膜。
一种不对称润湿性的Janus木膜，Janus木膜包括亲水层和疏水层， Janus木膜设有若干木材孔道，所述木材孔道贯穿Janus木膜的亲水层和疏水层， Janus木膜应用于吸收和过滤亲/疏性液体的分离。
实施例二：
如图1所示，一种不对称润湿性的Janus木膜的制备方法，包括以下步骤：
S1，将木材浸于NaOH（2mol/L）和Na2SO3（0.3mol/L）的混合溶液中，在95℃下油浴加热16h，制备出高渗透性、高孔隙率的超亲水木材；
S2，将高渗透性、高孔隙率的超亲水木材置于硅胶模具中，只暴露横切面一个切面；
S3，通过脂肪族多胺密封硅胶模具与超亲水木材之间的缝隙；
S4，将装入模具并密封后的超亲水木材真空浸渍于番红和十六烷基三甲氧基硅烷组成的混合溶液中，染色剂与疏水剂的质量比为3∶100，真空浸渍9h，压力为0.1MPa；
S5，根据番红染色的深度，通过使用金刚石线切割机对真空浸渍完的木材进行切割，得到厚度为1.1mm的不对称润湿性Janus木膜。
实施例三：
如图1所示，一种不对称润湿性的Janus木膜的制备方法，包括以下步骤：
S1，将木材浸于NaOH（3mol/L）和Na2SO3（0.4mol/L）的混合溶液中，在100℃下油浴加热18h，制备出高渗透性、高孔隙率的超亲水木材；
S2，将高渗透性、高孔隙率的超亲水木材置于硅胶模具中，只暴露横切面一个切面；
S3，通过脂肪族多胺密封硅胶模具与超亲水木材之间的缝隙；
S4，将装入模具并密封后的超亲水木材真空浸渍于番红和十六烷基三甲氧基硅烷组成的混合溶液中，染色剂与疏水剂的质量比为3∶100，真空浸渍12h，压力为0.1MPa；
S5，根据番红染色的深度，通过使用金刚石线切割机对真空浸渍完的木材进行切割，得到厚度为1.8mm的不对称润湿性Janus木膜。
实施例四：
如图1所示，一种不对称润湿性的Janus木膜的制备方法，包括以下步骤：
S1，将木材浸于NaOH（3mol/L）和Na2SO3（0.5mol/L）的混合溶液中，在90℃下油浴加热15h，制备出高渗透性、高孔隙率的超亲水木材；
S2，将高渗透性、高孔隙率的超亲水木材置于硅胶模具中，只暴露横切面一个切面；
S3，通过脂肪族多胺密封硅胶模具与超亲水木材之间的缝隙；
S4，将装入模具并密封后的超亲水木材真空浸渍于番红和十六烷基三甲氧基硅烷组成的混合溶液中，染色剂与疏水剂的质量比为4∶100，真空浸渍16h，压力为0.1MPa；
S5，根据番红染色的深度，通过使用金刚石线切割机对真空浸渍完的木材进行切割，得到厚度为2.2mm的不对称润湿性Janus木膜。
实施例五：
如图1所示，一种不对称润湿性的Janus木膜的制备方法，包括以下步骤：
S1，将木材浸于NaOH（4mol/L）和Na2SO3（0.6mol/L）的混合溶液中，在95℃下油浴加热16h，制备出高渗透性、高孔隙率的超亲水木材；
S2，将高渗透性、高孔隙率的超亲水木材置于硅胶模具中，只暴露横切面一个切面；
S3，通过脂肪族多胺密封硅胶模具与超亲水木材之间的缝隙；
S4，将装入模具并密封后的超亲水木材真空浸渍于番红和十六烷基三甲氧基硅烷组成的混合溶液中，染色剂与疏水剂的质量比为4∶100，真空浸渍20h，压力为0.1MPa；
S5，根据番红染色的深度，通过使用金刚石线切割机对真空浸渍完的木材进行切割，得到厚度为3.5mm的不对称润湿性Janus木膜。
实施例六：
如图1所示，一种不对称润湿性的Janus木膜的制备方法，包括以下步骤：
S1，将木材浸于NaOH（4mol/L）和Na2SO3（0.7mol/L）的混合溶液中，在100℃下油浴加热18h，制备出高渗透性、高孔隙率的超亲水木材；
S2，将高渗透性、高孔隙率的超亲水木材置于硅胶模具中，只暴露横切面一个切面；
S3，通过脂肪族多胺密封硅胶模具与超亲水木材之间的缝隙；
S4，将装入模具并密封后的超亲水木材真空浸渍于番红和十六烷基三甲氧基硅烷组成的混合溶液中，染色剂与疏水剂的质量比为4∶100，真空浸渍24h，压力为0.1MPa；
S5，根据番红染色的深度，通过使用金刚石线切割机对真空浸渍完的木材进行切割，得到厚度为4.7mm的不对称润湿性Janus木膜。
实施例七：
如图1所示，一种不对称润湿性的Janus木膜的制备方法，包括以下步骤：
S1，将木材浸于NaOH（5mol/L）和Na2SO3（0.8mol/L）的混合溶液中，在90℃下油浴加热15h，制备出高渗透性、高孔隙率的超亲水木材；
S2，将高渗透性、高孔隙率的超亲水木材置于硅胶模具中，只暴露横切面一个切面；
S3，通过脂肪族多胺密封硅胶模具与超亲水木材之间的缝隙；
S4，将装入模具并密封后的超亲水木材真空浸渍于番红和十六烷基三甲氧基硅烷组成的混合溶液中，染色剂与疏水剂的质量比为5∶100，真空浸渍26h，压力为0.1MPa；
S5，根据番红染色的深度，通过使用金刚石线切割机对真空浸渍完的木材进行切割，得到厚度为5.2mm的不对称润湿性Janus木膜。
实施例八：
如图1所示，一种不对称润湿性的Janus木膜的制备方法，包括以下步骤：
S1，将木材浸于NaOH（5mol/L）和Na2SO3（0.8mol/L）的混合溶液中，在95℃下油浴加热16h，制备出高渗透性、高孔隙率的超亲水木材；
S2，将高渗透性、高孔隙率的超亲水木材置于硅胶模具中，只暴露横切面一个切面；
S3，通过脂肪族多胺密封硅胶模具与超亲水木材之间的缝隙；
S4，将装入模具并密封后的超亲水木材真空浸渍于番红和十六烷基三甲氧基硅烷组成的混合溶液中，染色剂与疏水剂的质量比为5∶100，真空浸渍36h，压力为0.1MPa；
S5，根据番红染色的深度，通过使用金刚石线切割机对真空浸渍完的木材进行切割，得到厚度为6.6mm的不对称润湿性Janus木膜。
实施例九：
如图1所示，一种不对称润湿性的Janus木膜的制备方法，包括以下步骤：
S1，将木材浸于NaOH（6mol/L）和Na2SO3（0.8mol/L）的混合溶液中，在100℃下油浴加热18h，制备出高渗透性、高孔隙率的超亲水木材；
S2，将高渗透性、高孔隙率的超亲水木材置于硅胶模具中，只暴露横切面一个切面；
S3，通过脂肪族多胺密封硅胶模具与超亲水木材之间的缝隙；
S4，将装入模具并密封后的超亲水木材真空浸渍于番红和十六烷基三甲氧基硅烷组成的混合溶液中，染色剂与疏水剂的质量比为5∶100，真空浸渍48h，压力为0.1MPa；
S5，根据番红染色的深度，通过使用金刚石线切割机对真空浸渍完的木材进行切割，得到厚度为7.2mm的不对称润湿性Janus木膜。
下表为实施例一至九制备出不对称润湿性Janus木膜性能指标
综合上表分析，采用本发明方法制备的不对称润湿性Janus木膜，厚度为0.5-3mm的木膜具有较高的水分传输速度和分离通量，并且油水分离效率高，可应用于水分收集和油水分离，而厚度大于3mm时，木膜保持较高的水分传输效率，但油水分离效率大幅的降低，只适用于水分收集。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种不对称润湿性的Janus木膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将木材浸于NaOH和Na2SO3的混合溶液中加热，制得超亲水木材，所述混合溶液中NaOH的摩尔浓度为2-6mol/L，所述混合溶液中Na2SO3的摩尔浓度为0.2-0.8mol/L；
将超亲水木材置于模具中，暴露一个切面；
将装入模具中的超亲水木材真空浸渍于染色剂与疏水剂的混合溶液中；
根据浸渍深度，对浸渍后的超亲水木材进行切割，得到不对称润湿性Janus木膜。
2.根据权利要求1所述的一种不对称润湿性的Janus木膜的制备方法，其特征在于：加热温度为90-100℃，加热时间为15-18h。
3.根据权利要求1所述的一种不对称润湿性的Janus木膜的制备方法，其特征在于：在0.1MPa下真空浸渍，浸渍时间6-48h，浸渍深度为0.5mm～8mm。
4.根据权利要求1所述的一种不对称润湿性的Janus木膜的制备方法，其特征在于：将超亲水木材置于模具后，通过室温固化剂密封模具与超亲水木材之间的缝隙。
5.根据权利要求4所述的一种不对称润湿性的Janus木膜的制备方法，其特征在于：模具的材质包括金属、塑料、无机非金属和石蜡中的一种；室温固化剂包括脂肪族多胺、脂环族多胺、低分子聚酰胺、改性芳胺中的一种；暴露的切面包括横切面、径切面和弦切面中的一种。
6.根据权利要求1所述的一种不对称润湿性的Janus木膜的制备方法，其特征在于：染色剂包括番红、苏木素、胭脂红和地衣红中的一种；疏水剂包括十六烷基三甲氧基硅烷、十八烷基异氰酸酯、十八胺、十八硫醇和乙烯基三乙氧基硅烷中的一种。
7.根据权利要求6所述的一种不对称润湿性的Janus木膜的制备方法，其特征在于：染色剂与疏水剂的质量比为3～5∶100。
8.一种根据权利要求1至7任意一项所述不对称润湿性的Janus木膜的制备方法制备出的Janus木膜，包括亲水层和疏水层，其特征在于：Janus木膜设有若干木材孔道，所述木材孔道贯穿Janus木膜的亲水层和疏水层。
9.一种根据权利要求8所述的不对称润湿性的Janus木膜在吸收和过滤亲/疏性液体分离的应用。
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