CN115160732A - 一种光驱动Janus超疏水海绵马达的制备方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光驱动Janus超疏水海绵马达的制备方法及其应用，所述制备方法具体包括以下步骤：1.使用聚二甲基硅氧烷预聚物对海绵进行超疏水改性；2.将光热纳米材料在200℃下预热10 min；3.配制聚二甲基硅氧烷预聚物和固化剂混合液，将步骤1得到的超疏水海绵的一侧在上述混合液中浸渍一定高度后取出，待其表面未干时与步骤2中的纳米材料接触，在一定温度下固化一定时间，之后经过乙醇洗涤，得到光驱动Janus超疏水海绵马达。与现有技术相比，本发明所述的超疏水马达制备方法简单，自驱动速度较快，可用于油水分离领域。
Description
技术领域
本发明属于超疏水油水分离材料及其制备领域，特别涉及一种光驱动Janus超疏水海绵马达的制备方法及其应用。
背景技术
随着全球能源需求的日益增加和海上开采石油强度的不断加大，海上原油泄漏事故频发。泄露的原油会以薄膜形式漂浮在水体表面，造成水体逐渐缺氧，进一步对水生生态系统系统造成灾难性后果；泄露原油中所含的苯、甲苯等有毒化合物会进入食物链，对公共健康造成难以挽回的后果；此外，原油的泄露也造成了不可再生资源的极大浪费。因此，如何快速有效地实现水中原油的回收和利用是生态环境保护亟待解决的问题。超疏水油水分离材料由于原料易得、分离效率高、绿色环保等优点，在海上溢油处理及废水中油水分离方面具有很大的实际应用价值。近年来，三维超疏水-超亲油海绵成为油水分离材料的研究热点，对水中油品的吸附量可达20-200g/g，在油水分离领域具有广泛的应用前景。虽然三维超疏水海绵表现出了优异的油水分离能力，但是，目前传统的油水分离材料只能将收集起来的油水进行分离，无法直接对开放水域的溢油进行处理，这无疑增加了油污处理的过程和成本。因此，亟需开发出可自主运动、自动捕获油滴的三维超疏水智能材料，对开放水域溢油进行处理回收。
自驱动马达是指在外部刺激下可自发运动或可以为物体提供驱动力并使其运动的体系，能够自主捕捉、运输、卸载各种货物，被广泛应用于环境检测与治理方面，包括油水分离领域。宏观尺度（>100 μm）的马达（迷你马达）具有运动速度快、容易分离等优点，在大面积油污处理方面具有广阔的应用前景[8]。通常，迷你马达在运动过程中受到的流体阻力较大，因而需要更强大的驱动力才能实现自主运动。
迄今为止，应用于油水分离领域的马达的驱动力主要有三种：（1、由表面活性物质的释放产生的马兰戈尼效应驱动；（2、由氧化还原反应如H2O2的还原反应产生的气泡驱动和（3、由磁性材料产生的磁场驱动。在以上三种驱动方式中，表面活性物质的释放或H2O2的加入都将对水环境产生不良影响，且燃料耗尽后马达将不能继续进行自主运动；磁驱动马达制备过程比较复杂，且磁场强度随距离的增加而剧烈减小，不适合大范围水域内的污水处理。光能作为一种绿色、环保的可再生能源，具有强度、波长容易调节和开关可控等优势，能够远程驱动宏观马达的运动，驱动机制主要有由光照引起的界面张力梯度差、光热磁化率改变和光热蒸汽驱动三种。虽然研究者已经制备出了多种光驱动迷你马达，但是使用光作为驱动力的马达很少应用于油水分离领域。
发明内容
本发明提供了一种光驱动Janus超疏水海绵马达的制备方法及其应用，采用独立光热转化层、中间层和油水分离层多层Janus结构的构筑实现超疏水海绵的自主运动，克服超疏水海绵无法自主捕获油滴、无法应用于开放水域这一问题。
本发明具体技术方案如下：
一种光驱动Janus超疏水海绵马达的制备方法，其特征在于，所述制备方法具体包括以下步骤：
S1：将海绵浸入去离子水和乙醇（质量比为1:1）中，超声1 h，在60℃下干燥，将处理过的海绵浸渍在一定体积的聚二甲基硅氧烷预聚物和固化剂的环己烷溶液中，使海绵将溶液完全吸收，挤压数次后，在一定温度下干燥1 h，获得聚二甲基硅氧烷改性的超疏水海绵；
S2：将光热纳米材料在200℃预热10 min；
S3：将固化剂加入到聚二甲基硅氧烷预聚物中得到预聚物混合液，将步骤S1得到的超疏水海绵的侧面在预聚物混合液中浸渍一定高度，待其表面未干时与步骤S2中预热的光热纳米材料接触，进行粘接，之后在一定温度下固化一定时间，然后使用乙醇洗涤以去掉多余的光热纳米材料，得到光驱动Janus超疏水海绵马达。
所述步骤S1中，海绵为商业三聚氰胺海绵、聚氨酯海绵、聚乙烯醇海绵中的一种。
所述步骤S1中，聚二甲基硅氧烷预聚物与海绵的质量比为0.05:1~0.2:1，聚二甲基硅氧烷预聚物和固化剂的质量比为10:1，加热温度为60-150℃。
所述步骤S2中，光热纳米材料包括但不限于Fe3O4、MoS2、碳纳米管、MXene及石墨烯。
所述步骤S3中，聚二甲基硅氧烷预聚物和固化剂的质量比为10:1，超疏水海绵的浸渍高度为0.5-1mm，光热纳米材料的厚度为0.1-0.5 mm，固化温度为80-200℃，固化时间为1-2 h。
上述制备方法制得的一种光驱动Janus超疏水海绵马达。
上述制备方法制得的一种光驱动Janus超疏水海绵马达在油水分离领域的应用。
对比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：
1、本发明公开的光驱动Janus超疏水海绵马达的制备方法过程简单，成本低廉，是一种简单高效的制备方法。
2、本发明制备得到的Janus超疏水海绵具有独立的光热层、中间层和油水分离层，其中，光热层为海绵的自主运动提供驱动力，同源中间层起到粘接、保护油水分离层和隔绝热量等作用，而油水分离层赋予海绵油水分离能力。这些Janus结构层的设计使得超疏水海绵在红外光照下能自主运动、自动捕获油滴，有望实现广阔海域上油滴的自主去除。
附图说明
图1为实施例3的Janus超疏水海绵马达的SEM图和接触角图。
图2为实施例1、实施例2、实施例3在水面的自驱动轨迹和平均运动速度图。
图3为实施例3和对比例对水面上油滴的自动捕获图。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不局限于此。应当指出，本领域的相关技术人员可以容易地理解本发明的结构设计原理，本领域的技术人员可以对本发明做任何改动或修改，但在未经创造性劳动的前提下所获得的其他实例，都是本发明所保护的范围。
实施例1
本发明的实施方式提供了一种光驱动Janus超疏水海绵马达的制备方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1、将海绵浸入去离子水和乙醇（质量比为1:1）中，超声1 h，在60℃下干燥；剪出尺寸为1×1×0.5 cm的三聚氰胺海绵（MF），称量其质量（m0）。按质量比为10: 1称取一定质量聚二甲基硅氧烷预聚物（0.15 m0）和固化剂（0.015 m0），控制聚二甲基硅氧烷预聚物和MF的质量比为0.15:1，将聚二甲基硅氧烷预聚物和固化剂溶于一定体积（57 m0）的环己烷，使MF恰好能够将混合液完全吸收，之后置于100 ℃烘箱中干燥1h，得到PDMS@MF样品。
步骤2、将MoS2置于200 ℃烘箱中预热10 min。
步骤3、按10:1的比例称取聚二甲基硅氧烷预聚物和固化剂，充分混合，搅拌5min，超声5 min，得到聚二甲基硅氧烷预聚物混合液。将步骤1得到的PDMS@MF样品的侧面在聚二甲基硅氧烷预聚物和固化剂混合液中浸渍0.5mm，待表面液体未干，再与上述预热后的MoS2粉末接触，在200 ℃下干燥1 h，取出后使用乙醇冲洗2~3次，除去未与聚二甲基硅氧烷连接的MoS2，控制MoS2层的厚度在0.5 mm，干燥后得到PDMS@MF/MoS2 Janus超疏水马达。
实施例2
步骤1、将海绵浸入去离子水和乙醇（质量比为1:1）中，超声1 h，在60℃下干燥；剪出尺寸为1×1×0.25 cm的三聚氰胺海绵（MF），称量其质量（m0）。按质量比为10: 1称取一定质量聚二甲基硅氧烷预聚物（0.15 m0）和固化剂（0.015 m0），控制聚二甲基硅氧烷预聚物和MF的质量比为0.15:1，将聚二甲基硅氧烷预聚物和固化剂溶于一定体积（57 m0）的环己烷，使MF恰好能够将混合液完全吸收，之后置于100 ℃烘箱中干燥1h，得到PDMS@MF样品。
步骤2、将MoS2置于200 ℃烘箱中预热10 min。
步骤3、按10:1的比例称取聚二甲基硅氧烷预聚物和固化剂，充分混合，搅拌5min，超声5 min，得到聚二甲基硅氧烷预聚物混合液。将PDMS@MF的侧面在上述聚二甲基硅氧烷预聚物混合液中浸渍0.5mm，待表面液体未干，再与上述MoS2粉末接触，在200 ℃下干燥1 h，取出后使用乙醇冲洗2~3次，除去未与聚二甲基硅氧烷连接的MoS2，控制MoS2层的厚度在0.5 mm。干燥后得到PDMS@MF/MoS2 Janus超疏水海绵马达。
实施例3
步骤1、将海绵浸入去离子水和乙醇（质量比为1:1）中，超声1 h，在60℃下干燥；剪出尺寸为1×0.5×0.25 cm的三聚氰胺海绵（MF），称量其质量（m0）。按质量比为10: 1称取一定质量聚二甲基硅氧烷预聚物（0.15 m0）和固化剂（0.015 m0），控制聚二甲基硅氧烷预聚物和MF的质量比为0.15:1，将聚二甲基硅氧烷预聚物和固化剂溶于一定体积（57 m0）的环己烷，使MF恰好能够将混合液完全吸收，之后置于100 ℃烘箱中干燥1h，得到PDMS@MF样品。
步骤2、将MoS2置于200 ℃烘箱中预热10 min。
步骤3、按10:1的比例称取聚二甲基硅氧烷预聚物和固化剂，充分混合，搅拌5min，超声5 min，得到聚二甲基硅氧烷预聚物混合液。将PDMS@MF的侧面在上述聚二甲基硅氧烷预聚物混合液中浸渍0.5mm，待表面液体未干，再与上述MoS2粉末接触，在200 ℃下干燥1 h，取出后使用乙醇冲洗2~3次，除去未与聚二甲基硅氧烷连接的MoS2，控制MoS2层的厚度在0.5 mm。干燥后得到PDMS@MF/MoS2 Janus超疏水海绵马达。
实施例4
本发明的实施方式提供了一种光驱动Janus超疏水海绵马达的制备方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1、将海绵浸入去离子水和乙醇（质量比为1:1）中，超声1 h，在60℃下干燥；剪出尺寸为1×0.5×0.25 cm的三聚氰胺海绵（MF），称量其质量（m0）。按质量比为10: 1称取一定质量聚二甲基硅氧烷预聚物（0.05 m0）和固化剂（0.005 m0），控制聚二甲基硅氧烷预聚物和MF的质量比为0.05:1，将聚二甲基硅氧烷预聚物和固化剂溶于一定体积（57 m0）的环己烷，使MF恰好能够将混合液完全吸收，之后置于100 ℃烘箱中干燥1h，得到PDMS@MF样品。
步骤2、将MoS2置于200 ℃烘箱中预热10 min。
步骤3、按10:1的比例称取聚二甲基硅氧烷预聚物和固化剂，充分混合，搅拌5min，超声5 min，得到聚二甲基硅氧烷预聚物混合液。将PDMS@MF的侧面在上述聚二甲基硅氧烷预聚物混合液中浸渍0.5mm，待表面液体未干，再与上述MoS2粉末接触，在200 ℃下干燥1 h，取出后使用乙醇冲洗2~3次，除去未与聚二甲基硅氧烷连接的MoS2，控制MoS2层的厚度在0.5 mm。干燥后得到PDMS@MF/MoS2 Janus超疏水海绵马达。
实施例5
步骤1、将海绵浸入去离子水和乙醇（质量比为1:1）中，超声1 h，在60℃下干燥；剪出尺寸为1×0.5×0.25 cm的三聚氰胺海绵（MF），称量其质量（m0）。按质量比为10: 1称取一定质量聚二甲基硅氧烷预聚物（0.15 m0）和固化剂（0.015 m0），控制聚二甲基硅氧烷预聚物和MF的质量比为0.15:1，将聚二甲基硅氧烷预聚物和固化剂溶于一定体积（57 m0）的环己烷，使MF恰好能够将混合液完全吸收，之后置于100 ℃烘箱中干燥1h，得到PDMS@MF样品。
步骤2、将碳纳米管（CNT）置于200 ℃烘箱中预热10 min。
步骤3、按10:1的比例称取聚二甲基硅氧烷预聚物和固化剂，充分混合，搅拌5min，超声5 min，得到聚二甲基硅氧烷预聚物混合液。将PDMS@MF的侧面在上述聚二甲基硅氧烷预聚物混合液中浸渍0.5mm，待表面液体未干，再与上述CNT粉末接触，控制其厚度在0.5 mm，在200 ℃下干燥1 h，取出后使用乙醇冲洗2~3次，除去未与聚二甲基硅氧烷连接的CNT，控制CNT层的厚度在0.5 mm。干燥后得到PDMS@MF/CNT Janus超疏水海绵马达。
对比例
将海绵浸入去离子水和乙醇（质量比为1:1）中，超声1 h，在60℃下干燥；剪出尺寸为1×0.5×0.25 cm的三聚氰胺海绵（MF），称量其质量（m0）。按质量比为10: 1称取一定质量聚二甲基硅氧烷预聚物（0.15 m0）和固化剂（0.015 m0），控制聚二甲基硅氧烷预聚物和MF的质量比为0.15:1，将聚二甲基硅氧烷预聚物和固化剂溶于一定体积（57 m0）的环己烷，使MF恰好能够将混合液完全吸收，之后置于100 ℃烘箱中干燥1h，得到PDMS@MF样品。
图1为实施例1制备出的Janus超疏水海绵马达的SEM图，从图b中可以看出，Janus超疏水海绵的三层结构中，PDMS层（图a）和MoS2层（图c）的厚度均为0.5 mm左右；从海绵的水接触角图（图a左下）可以看出，PDMS@MF海绵的水接触角为158°，表现出超疏水性质。
图2中，图a、图b、图c分别为实施例1、实施例2和实施例3在水面的轨迹图，图d为不同尺寸马达的自驱动速度图。从图a、图b、图c可以看出，不同尺寸马达的运动轨迹都接近直线，从图d中可以看出，Janus超疏水马达的平均运动速度分别为7.07 mm/s、8.05 mm/s和8.27 mm/s，说明马达的高度对其自驱动速度影响较大，而宽度和长度影响不大。
图3为实施例3（图a-c）和对比例（图d-e）在水面上对油滴的自动捕获图片，可以看出实施例3可以在41秒将两滴油滴全部捕获（图a-c），而对比例并不能捕获油滴（图d-e）。
Claims (7)
1.一种光驱动Janus超疏水海绵马达的制备方法，其特征在于，所述制备方法具体包括以下步骤：
S1：将海绵浸入去离子水和乙醇（质量比为1:1）中，超声1 h，在60℃下干燥，将处理过的海绵浸渍在一定体积的聚二甲基硅氧烷预聚物和固化剂的环己烷溶液中，使海绵将溶液完全吸收，挤压数次后，在一定温度下干燥1 h，获得聚二甲基硅氧烷改性的超疏水海绵；
S2：将光热纳米材料在200℃预热10 min；
S3：将固化剂加入到聚二甲基硅氧烷预聚物中获得预聚物混合液，将步骤S1得到的超疏水海绵的侧面在预聚物混合液中浸渍一定高度，待其表面未干时与步骤S2中预热的光热纳米材料接触，进行粘接，之后在一定温度下固化一定时间，然后使用乙醇洗涤以去掉多余的光热纳米材料，得到光驱动Janus超疏水海绵马达。
2.根据权利要求1所述的光驱动Janus超疏水海绵马达的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，海绵为商业三聚氰胺海绵、聚氨酯海绵、聚乙烯醇海绵中的一种。
3.根据权利要求1所述的光驱动Janus超疏水海绵马达的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，聚二甲基硅氧烷预聚物与海绵的质量比为0.05:1~0.2:1，聚二甲基硅氧烷预聚物和固化剂的质量比为10：1，加热温度为60-150℃。
4.根据权利要求1所述的光驱动Janus超疏水海绵马达的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中，光热纳米材料包括但不限于Fe3O4、MoS2、碳纳米管、MXene及石墨烯。
5. 根据权利要求1所述的光驱动Janus超疏水海绵马达的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中，聚二甲基硅氧烷预聚物和固化剂的质量比为10:1，超疏水海绵的浸渍高度为0.5-1mm，光热纳米材料的厚度为0.1-0.5 mm，固化温度为80-200℃，固化时间为1-2 h。
6.如权利要求1-5任一所述制备方法制得的一种光驱动Janus超疏水海绵马达。
7.如权利要求1-5任一所述制备方法制得的一种光驱动Janus超疏水海绵马达在油水分离领域的应用。
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