TWI673305B - 多孔性材料及其製備方法 - Google Patents

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TWI673305B
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Abstract

本發明提供一種多孔性材料，其包含基底與表面處理層。基底包含本體與複數個形成於本體中的孔洞，且本體包含至少一表面。表面處理層覆蓋於本體之表面並延伸至前述複數個孔洞之內表面，且表面高產業上利用之可能。

Description

多孔性材料及其製備方法
本發明係有關於一種多孔性材料及其製備方法，尤其係有關於一種可用以油水分離之多孔性材料及其製備方法。
隨著科技與工業蓬勃發展，工廠生產製造過程中無可避免產生的有機污染物往往未經適當處理即排放，造成周遭水源的污染。再者，海洋約占地球面積的四分之三，擁有豐富而多樣且為人類不可或缺的資源，但隨著石油及石化工業的發展，除了常見的油輪擱淺而使所載原油外洩，或鑽油平台管線外洩之外，前述工廠排放含有有機污染物或汙油的工業廢水，也會因水循環而輾轉流入海洋而造成海洋油汙汙染。
是以如何有效地自含有大量或微量有機污染物或石油的油水混合物中將有機污染物或油污分離出來極為關鍵。基本上，油水混合物大抵可以分為油/水兩相分離的液體以及乳化狀的油/水混合液體，而傳統用以將有機污染物或油污自前述油水混合物中分離出來的方法包括離心 (Centrifuges)、燃燒(Burning)、沉澱池(Settling tank)和浮選(Flotation)均受到低分離效率和高運行成本的限制。
此外，對於海上漏油污染的處理，近來雖有研究以改質黏土收集油脂的方法，改質黏土係以親油性高分子化合物插層層狀矽酸鹽黏土、雲母或滑石，使黏土的層間距離增加，進而提高對油脂的吸收能力並降低油脂收集的成本。然而，前述改質黏土不僅回收不易，無法重覆使用，且其在初次使用時所能吸收的油量僅有改質黏土本身的20%，因此仍有改善的空間。
再者，近來亦有許多研究嘗試利用對油性液體具有高度吸附能力的多孔性物質進行油性物質的吸收，並將油性物質吸收後自水相中分離，或是利用對油/水透過具選擇性的多孔性薄膜讓兩相分離。然而，針對不同油水混合物需搭配不同的分離方法或設計不同的材料以及材料的製備方法方可達成，往往費工且為單一的設計。
有鑒於此，本發明可利用處理劑處理現有之多孔性物質或薄膜材料，進而使前述多孔性物質或薄膜能夠高通量且有效地分離油/水並可重複使用，大幅提高產業上利用之可能。
本發明之一態樣之一實施方式係在於提供一種多孔性材料，其包含一基底與一表面處理層。基底包含一本 體與複數個形成於本體中的孔洞，其中本體包含至少一表面。表面處理層可覆蓋於前述本體之表面並延伸至前述複數個孔洞之內表面，其中表面處理層可由一含有氧代氮代苯并環己烷(Benzoxazine)之化合物經熱處理而得。
依據前述實施方式之多孔性材料，其中前述含有氧代氮代苯并環己烷之化合物可由一含有酚基之化合物、一含有一級胺之化合物以及一甲醛或一聚縮醛合成而得。具體地，前述含有氧代氮代苯并環己烷之化合物可由一雙酚化合物、一具雙官能基之一級胺的化合物以及一甲醛或一聚縮醛合成而得，且前述含有氧代氮代苯并環己烷之化合物具有如式(1)所示之一結構： 式(1)中a可為0或1至3之一整數，n可為2至2000之一整數，X可為一化學鍵或一二價連接基團，而Y可為前述具雙官能基之一級胺的化合物之一殘基。更具體地，X可為-O-、-CH2-、-C(CH3)2-、-C(CF3)2-、-S-、-C(=O)-、-C(=S)-、-S(=O)-或-S(=O)2-。又具體地，前述含有氧代氮代苯并環己烷之化合物可由一或多個相同或不相同之具至少一官能基的酚化合物、一具單官能基之一級胺的化合物以及一甲醛或一聚縮醛合成而得。又具體地，前述含有氧代氮代苯并環己烷之化合物可由一具單官能基之酚化合物、一具雙官能基之一級胺的化合物以及一甲醛或一聚 縮醛合成而得。
依據前述實施方式之多孔性材料，其中前述基底之複數個孔洞的一平均孔徑可大於或等於0.05μm且可小於或等於10μm。
依據前述實施方式之多孔性材料，其中前述基底可為一海綿、一濾紙或一陶瓷濾材。
依據前述實施方式之多孔性材料，其中前述基底為海綿，且前述表面處理層佔前述基底之重量百分比可大於或等於25wt%且可小於或等於40wt%。
本發明之另一態樣之一實施方式係在於提供一種前述多孔性材料的製備方法，其包含提供基底、進行一溶液準備步驟、進行一前驅物層形成步驟以及進行一熱處理步驟。具體地，在進行溶液準備步驟中係用以以提供一溶液，其中前述溶液包含含有氧代氮代苯并環己烷之化合物。在進行前驅物層形成步驟中，係利用前述溶液形成一前驅物層覆蓋於本體之前述至少一表面上並延伸至前述複數個孔洞之內表面。在進行熱處理步驟中，係用以處理前驅物層以形成表面處理層。
依據前述實施方式之製備方法，其中前述進行前驅物層形成步驟可藉由一浸漬塗佈法來完成。
依據前述實施方式之製備方法，其中前述進行前驅物層形成步驟可藉由一旋轉塗佈法來完成。
依據前述實施方式之製備方法，其中於前述提供溶液的步驟中含有氧代氮代苯并環己烷之化合物於溶液 中所佔之含量可大於或等於0.5wt%且小於或等於10wt%。
依據前述實施方式之製備方法，其中前述含有氧代氮代苯并環己烷之化合物可由一含有酚基之化合物、一含有一級胺之化合物以及一甲醛或一聚縮醛合成而得。具體地，前述含有氧代氮代苯并環己烷之化合物可由一雙酚化合物、一具雙官能基之一級胺的化合物以及一甲醛或一聚縮醛合成而得，且前述含有氧代氮代苯并環己烷之化合物具有如式(1)所示之一結構： 式(1)中a可為0或1至3之一整數，n可為2至2000之一整數，X可為一化學鍵或一二價連接基團，而Y可為前述具雙官能基之一級胺的化合物之一殘基。更具體地，X可為-O-、-CH2-、-C(CH3)2-、-C(CF3)2-、-S-、-C(=O)-、-C(=S)-、-S(=O)-或-S(=O)2-。又具體地，前述含有氧代氮代苯并環己烷之化合物可由一或多個相同或不相同之具至少一官能基的酚化合物、一具單官能基之一級胺的化合物以及一甲醛或一聚縮醛合成而得。又具體地，前述含有氧代氮代苯并環己烷之化合物可由一具單官能基之酚化合物、一具雙官能基之一級胺的化合物以及一甲醛或一聚縮醛合成而得。
依據前述實施方式之製備方法，其中前述基底 之複數個孔洞的一平均孔徑可大於或等於0.05μm且小於或等於10μm。
上述發明內容旨在提供本揭示內容的簡化摘要，以使閱讀者對本揭示內容具備基本的理解。此發明內容並非本揭示內容的完整概述，且其用意並非在指出本發明實施例的重要/關鍵元件或界定本發明的範圍。
100‧‧‧多孔性材料
110‧‧‧基底
111‧‧‧本體
111a、111b、111c、111d‧‧‧基底之表面
112‧‧‧孔洞
112a‧‧‧孔洞之內表面
120‧‧‧表面處理層
310‧‧‧第一容器
320‧‧‧第二容器
S200、S202、S204、S206‧‧‧步驟
為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：第1圖係繪示本發明之多孔性材料的橫截面示意圖；第2圖係繪示本發明之多孔性材料的製備方法流程圖；第3圖係繪示本發明實施例1中多孔性材料之疏水性與表面處理層含量間的關係；第4A圖係繪示本發明實施例1之多孔性材料對不同油品與有機溶劑的吸收力；第4B圖係顯示以本發明實施例1之多孔性材料進行水/氯仿的分離過程；第4C圖係顯示以本發明實施例1之多孔性材料進行水/機油的分離過程；第4D圖係繪示回收之本發明實施例1多孔性材料對於不同油品的吸收力；第4E圖係繪示回收之本發明實施例1多孔性材料對於不同有機溶劑的吸收力； 第5A圖係繪示本發明實施例2之多孔性材料對不同油品與有機溶劑進行油水分離步驟時的通量；第5B圖係顯示以本發明實施例2之多孔性材料進行水/甲苯的分離過程；以及第6圖係繪示本發明實施例3之多孔性材料進行水/甲苯分離步驟時交聯高分子材料含量與多孔性材料之通量及分離後甲苯中含水量的關係。
下述將更詳細討論本發明各實施方式。然而，此實施方式可為各種發明概念的應用，可被具體實行在各種不同的特定範圍內。特定的實施方式是僅以說明為目的，且不受限於揭露的範圍。
首先，請參考第1圖，第1圖係繪示本發明之多孔性材料100的橫截面示意圖。如第1圖所示，本發明之多孔性材料100包含一基底110與一表面處理層120，其中基底110包含一本體111與複數個形成於本體111中的孔洞112。必須說明的是，本體111為視其構形而具體地包含至少一表面，舉例來說，當本體111呈一六面體時，其應具有八個表面，或當本體111為一具厚度之圓形片材時，其應具有三個表面(即一頂面、一底面與連接頂面與底面之周緣)。具體地，第1圖乃繪示呈六面體之多孔性材料的橫截面示意圖，是以圖面中本體111包含複數個表面111a、111b、111c與111d，但其僅為示範例說明，本發明並不欲以此為限。
表面處理層120可覆蓋於本體111之表面111a、111b、111c與111d並延伸至複數個孔洞112之內表面120a。具體地，表面處理層120可由一含有氧代氮代苯并環己烷之化合物經熱處理而得。更具體地，含有氧代氮代苯并環己烷之化合物可由一含有酚基之化合物、一含有一級胺之化合物以及一甲醛或一聚縮醛合成而得。
據此，前述含有氧代氮代苯并環己烷之化合物可由一雙酚化合物、一具雙官能基之一級胺的化合物以及一甲醛或一聚縮醛合成而得，且前述含有氧代氮代苯并環己烷之化合物可具有如式(1)所示之一結構： 式(1)中a可為0或1至3之一整數，n可為2至2000之一整數，亦即含有氧代氮代苯并環己烷之化合物的數量平均分子量較佳為大於或等於1000gmol-1且小於或等於30000gmol-1。再者，X可為一化學鍵或一二價連接基團，且X可更具體地為-O-、-CH2-、-C(CH3)2-、-C(CF3)2-、-S-、-C(=O)-、-C(=S)-、-S(=O)-或-S(=O)2-。至於Y則為前述具雙官能基之一級胺的化合物之一殘基。
或者，前述含有氧代氮代苯并環己烷之化合物可由一或多個相同或不相同之具至少一官能基的酚化合物、一具單官能基之一級胺的化合物以及一甲醛或一聚縮醛合成而得。具體來說，前述酚化合物的官能數可介於1至 20，且前述酚化合物可為單一酚化合物或多個具有相同官能基或不同官能基數之酚化合物的混合物。又或者，前述含有氧代氮代苯并環己烷之化合物可由一具單官能基之酚化合物、一具雙官能基之一級胺的化合物以及一甲醛或一聚縮醛合成而得。至於前述熱處理則係用以使式(1)所示之化合物產生交聯，但詳細操作條件將於後續製備方法中近一步說明，在此暫不贅述。
再者，基底110可選自現有之多孔性物質或薄膜，且其孔洞的平均孔徑可大於或等於0.05μm且小於或等於10μm。具體地，基底110可為一高分子化合物、一濾紙或一陶瓷濾材，且前述高分子化合物可為一海綿，但本發明並不欲以此為限。此外，當基底110為海綿時，表面處理層120佔基底110之重量百分比可大於或等於25wt%且小於或等於40wt%。
藉此，本發明以前述含有氧代氮代苯并環己烷之化合物處理現有具多孔性之基底，發展出具有高通量且可有效地並廣泛地應用於不同油水分離步驟之多孔性材料。
本發明之多孔性材料100的結構已大致說明如前文，後續將進一步參考第2圖說明本發明之多孔性材料的製備方法，其中第2圖係繪示本發明之多孔性材料的製備方法流程圖，且前述製備方法包含步驟S200、步驟S202、步驟S204以及步驟S206。
步驟S200係用以提供一基底。具體地，基底可為一高分子化合物如海綿、一濾紙或一陶瓷濾材，細節則已 如前文所述，在此不再贅述。此外，在步驟S200中可進一步清洗基底，並使其乾燥，以利後續步驟之進行。
步驟S202係用以進行一溶液準備步驟。具體來說，本發明中可以四氫呋喃(Tetrahydrofuran，THF)為溶劑使含有氧代氮代苯并環己烷之化合物回溶於其中以形成一溶液，但前述溶劑旨在於溶解前述含有氧代氮代苯并環己烷之化合物並使其可分散於其中，是以本發明不以四氫呋喃為限。必須說明的是，前述含有氧代氮代苯并環己烷之化合物於溶液中所佔之重量比例將影響前述多孔性材料中表面處理層佔基底之重量百分比例，是以在步驟S202中可調整溶液中聚合物的含量進而調整表面處理層相對於基底之含量，以使多孔性材料可有效地進行油水分離。較佳地，前述含有氧代氮代苯并環己烷之化合物於溶液中所佔之含量可大於或等於0.5wt%且小於或等於10wt%。
再者，在進行步驟S202之前，需先製備前述含有氧代氮代苯并環己烷之化合物。如前文所述，含有氧代氮代苯并環己烷之化合物可由含有酚基之化合物、含有一級胺之化合物以及甲醛或聚縮醛合成而得，且其可能之實施方式均已如前文所述，在此不再贅述。
步驟S204係用以進行一前驅物層形成步驟。具體而言，步驟S204係用以使溶液中所含的含有氧代氮代苯并環己烷之化合物均勻地且全面性地覆蓋於基底之本體的表面上並延伸至孔洞的內表面，也就是說此步驟旨在於使基底露出的表面上均覆蓋有含有氧代氮代苯并環己烷之化合 物。更具體地，步驟S204步驟可藉由一浸漬塗佈法或一旋轉塗佈法來完成。此外，經由前述溶液處理後之基底可進一步經由一乾燥程序移除溶劑。
步驟S206係用以進行一熱處理步驟。具體來說，步驟S206係用以使覆蓋於基底之本體的表面與複數個孔洞之內表面上的前驅物層中所含之含有氧代氮代苯并環己烷之化合物開環進行交聯而形成表面處理層。更具體地，步驟S206之一處理溫度可大於或等於200℃且小於或等於250℃，且其一處理時間可大於或等於1小時且小於或等於3小時。
據此，本發明之多孔性材料及其製備方法已大致說明如上，以下將藉由實施例1至實施例3進一步詳細說明前述多孔性材料、其製備方法及其可達成之功效，惟非用以限制本發明所欲保護之範疇，合先敘明。
[實施例1]
實施例1將配合第2圖說明如後。首先，如步驟S200所示，實施例1中所選用之基底為海綿，且其係購自大潤發(RT-MART International Ltd)之由甲醛與三聚氰胺(Melamine)合成的樹脂(即俗稱之科技海綿)。具體地，在實施例1中先將前述基底以丙酮與蒸餾水於超音波振盪器內進行清洗，再置於烘箱中進行烘乾，以利後續使用。
在本實施例中，含有氧代氮代苯并環己烷之化合物具有如式(2)之結構： 具體而言，在本實施例中係將0.1mol之4,4'-二氨基二苯醚(4,4'-diaminodiphenyl ether)、0.1mol之雙酚A與0.2mol之甲醛溶於200毫升之甲苯與乙醇的混合溶劑(v/v=2/1)中以形成一混合溶液。接著，使前述混合溶液於氮氣下進行溶劑迴流(約80℃)反應24小時後冷卻。待冷卻至室溫後，可藉由加入過量的甲醇而析出沈澱物並藉由過濾方式收集。最後，在經由反覆的純化步驟處理沈澱物後，將前述沈澱物置於一減壓烘箱中烘乾，即可製得如式(2)所示之含有氧代氮代苯并環己烷之化合物，即聚氧代氮代苯并環己烷聚合物(Polybenzoxazine)。也就是說，式(2)所示之聚氧代氮代苯并環己烷聚合物即式(1)中之X為-C(CH3)2-，而Y為二苯醚基(Diphenyl ether group，即4,4'-二氨基二苯醚移除兩個氫後的殘基)之化合物。較佳地，實施例1中所用之含有氧代氮代苯并環己烷之化合物的數量平均分子量為4040gmol-1。
承上，如步驟S202所示，將前述製得之含有氧代氮代苯并環己烷之化合物溶於四氫呋喃中以製得含有0.5wt%至5wt%之聚合物的溶液。
接著，如步驟S204所示，將步驟S200所提供之基底浸置於前述溶液中，此時溶液將由基底之本體的六個表面逐漸滲入並充滿複數個孔洞。在基底吸取足夠之溶液 後，將其置於60℃之烘箱中進行烘乾，以於基底之本體表面及孔洞的內表面形成前驅物層覆蓋於其上，且前驅物層的材質即前述溶液中所包含之含有氧代氮代苯并環己烷之化合物。
最後，如步驟S206所示，將已修飾有前驅物層的基底以240℃之處理溫度進行熱處理達3小時，以使前述前驅物層所包含之化合物中的氧代氮代苯并環己烷開環產生交聯而形成表面處理層，且此表面處理層具有如式(3)所示之一結構： 式(3)中，""代表交聯點。藉此，因交聯後之高分子材料具有低表面能，將使多孔性材料整體具有極佳的疏水性進而可有效地應用於進行油水分離。
此外，請參考第3圖，其係繪示本發明實施例1中多孔性材料之疏水性與表面處理層含量間的關係，其中實線表示實施例1之多孔性材料表面的水接觸角，而虛線表示實施例1之多孔性材料沿中線切面的水接觸角。詳言之，經由於步驟S202中調整聚合物於溶液中的濃度可使製得之多孔性材料中表面處理層佔基底之重量百分比大於0wt%且小於或等於40wt%，此時由第3圖可知，當多孔性材料中表面處理層佔基底之重量百分比介於25wt%與40wt%之間時，其表面或內部的水接觸角均保持在140度以上，更有 利於油水分離。
接著，後續進一步利用經由前述方法所製得且表面處理層佔基底之重量百分比為25wt%之多孔性材料進行油水分離之吸收力測試。請參考第4A圖至第4C圖，第4A圖係繪示本發明實施例1之多孔性材料對不同油品與有機溶劑的吸收力，其中空心長條代表每一克多孔性材料可吸收之油品或有機溶劑的重量(克)，而斜線長條則代表每一克多孔性材料可吸收之油品或有機溶劑的體積(毫升)，第4B圖係顯示以本發明實施例1之多孔性材料進行水/氯仿的分離過程，而第4C圖係顯示以本發明實施例1之多孔性材料進行水/機油的分離過程。此外，必須說明的是，為確切呈現本發明之多孔性材料對於油品與有機溶劑的吸收力，第4B圖與第4C圖為利用本發明之多孔性材料進行油水分離步驟的實際操作情形，僅能以照片呈現，是以由照片取代工程製圖。
首先，將多孔性材料分別浸入不同的油品，如機油(購自台灣中油股份有限公司)以及葵花籽油(品牌名為得意的一天)，以及不同的有機溶劑中，如己烷(Hexane)、甲苯(Toluene)、甲醇(Methanol)、乙醇(ethanol)、氯仿(Chloroform)、二甲基甲醯胺(N,N-Dimethylmethanamide，DMF)、乙酸乙酯(Ethyl acetate)以及丙酮(Acetone)，直至多孔性材料吸取飽和量之油品或有機溶劑。隨後，為了避免有機溶劑與油品的揮發，將多孔性材料直接秤重後評估其對於不同油品與有機溶劑的吸收力。
此時，由第4A圖可知，對於不同油品與有機溶劑，本發明實施例1所提供之多孔性材料可吸取之量可達約其本身重量的50倍至130倍(即空心長條所示)。此外，實施例1之多孔性材料對於不同油品與有機溶劑之吸收力的差異應係來自於不同油品與有機溶劑於密度上之不同。接著，在以體積為基準對於前述數據進行標準化處理後可知，每一克多孔性材料約可吸取約80毫升至90毫升的油品或有機溶劑(即斜線長條所示)。也就是說，除了密度之外，液體的性質如極性和粘度並未影響多孔性材料的吸收力。
進一步由第4B圖可知，當將本發明之多孔性材料浸入水/氯仿混合物時，15秒之後氯仿便已經為多孔性材料所吸收而僅剩下清澈的水。再者，由第4C圖可知，當將本發明之多孔性材料浸入水/機油混合物時，40秒之後機油亦已幾乎為多孔性材料所吸收。
藉此，實施例1所提供之多孔性材料可廣泛應用於進行含有不同油品或有機溶劑之油水混合物的分離。再者，習知如具聚二甲基矽氧烷之海綿(即PDMS海綿)僅能吸取其本身重量之4至11倍的量，氣凝膠(Aerogel)僅能吸取其本身重量之6至28倍的量，而微孔聚合物(Microporous polymer)則僅能吸取其本身重量之8至23倍的量，是以實施例1之多孔性材料的吸收力顯然較前述材料優異，且其成本遠低於現有以石墨烯為基底的海綿。
接著，更嘗試將實施例1之多孔性材料中所吸取之油品或有機溶劑移除以重複利用，並進一步探討實施例1 之多孔性材料重複利用後之吸收力。請參考第4D圖與第4E圖，第4D圖係繪示回收之本發明實施例1多孔性材料對於不同油品的吸收力，而第4E圖係繪示回收之本發明實施例1多孔性材料對於不同有機溶劑的吸收力，其中循環次數係指一次多孔性材料吸收及從多孔性材料移除液體的過程，是以循環次數為1係指以尚未使用過之多孔性材料進行不同油品或不同有機溶劑之吸收力評估，而循環次數為2至4係指以分別回收1至3次之多孔性材料進行不同油品或不同有機溶劑之吸收力評估。
首先，係分別將吸取有機油與葵花籽油之多孔性材料經由擠壓的方式回收，且在擠壓後將多孔性材料置入烘箱中烘乾。如第4D圖所示，若單純以擠壓的方式進行回收，在將多孔性材料經一次回收使用後，其可吸取之量便降低至約其本身重量的10倍至20倍。然而，若將分別將吸取有機油與葵花籽油之多孔性材料經由清洗的方式回收，且在清洗後將多孔性材料置入烘箱中烘乾，則實施例1之多孔性材料在回收三次以後對於機油與葵花籽油均可保有相同之吸收力。具體地，在實施例1中係以正丁烷與乙酸乙酯清洗多孔性材料，但本發明並不欲以此為限。
反之，由於有機溶劑本身之揮發性質，故其能經由擠壓處理後置於烘箱中烘乾的方式來回收。此時，如第4E圖所示，實施例1之多孔性材料在回收並重複利用一次至三次的過程中對於己烷、甲苯、甲醇、乙醇、氯仿、二甲基二醯胺、乙酸乙酯以及丙酮均能吸取約達其本身重量的50 倍至130倍的能力，並未見有明顯吸收力衰退之情形。
藉此，本發明之多孔性材料可經由適當且簡易之回收方式，如擠壓或清洗，而重複利用，且其在重複利用於處理不同油品與有機溶劑之油水分離上仍能保有相當之吸收力，將有利於後續產業上之利用。
[實施例2]
在實施例2中所選用之基底為濾紙，且其係購自廣瀚儀器有限公司(Grand hand instrument co.Ltd)以及平均孔徑大小為2.5μm之濾紙。
接著，如步驟S204所示，將步驟S200所提供之基底浸置於前述溶液中，此時溶液將由基底之本體的至少兩個表面(即濾紙的上下兩表面)逐漸滲入並充滿複數個孔洞。具體地，實施例2中所使用之溶液與實施例1相同，即溶劑為四氫呋喃且具有含有氧代氮代苯并環己烷之化合物的溶液，但其製備方法及其濃度已如前文所述，在此不再贅述。
在基底吸取足夠之溶液後，將其置於60℃之烘箱中進行烘乾，以於基底之本體表面及孔洞的內表面形成前驅物層覆蓋於其上，且前驅物層的材質即前述溶液中所包含之含有氧代氮代苯并環己烷之化合物。
最後，如步驟S206所示，將已修飾有前驅物層的基底以240℃之處理溫度進行熱處理達3小時，以使前述前驅物層所包含之化合物中的氧代氮代苯并環己烷開環進 行交聯而形成具有如式(3)所示之結構的表面處理層。
接著，後續進一步利用經由前述方法所製得且表面處理層佔基底之重量百分比為1wt%之多孔性材料進行油水分離測試。請參考第5A圖與第5B圖，其中第5A圖係繪示本發明實施例2之多孔性材料對不同油品與有機溶劑進行油水分離步驟時的通量，而第5B圖係顯示以本發明實施例2之多孔性材料進行水/甲苯的分離過程。此外，必須說明的是，為確切呈現實施例2之多孔性材料對於油水分離的選擇性與效率，第5B圖為利用本發明之多孔性材料進行水/甲苯分離步驟的實際操作情形，僅能以照片呈現，是以由照片取代工程製圖。
首先，當利用實施例2之多孔性材料分別進行機油、葵花籽油、甲苯、己烷以及乙酸乙酯的油水分離時，由第5A圖可知，前述多孔性材料對於有機溶劑(即甲苯、己烷以及乙酸乙酯)具有良好的選擇性以及油水分離效率。具體來說，當以實施例2之多孔性材料進行水/有機溶劑混合物之油水分離時，其通量可達5000Lm-2h-1至6000Lm-2h-1，較習知用以進行油水分離之濾紙(通量約為3000Lm-2h-1)高。再者，實施例2之多孔性材料亦可用以進行不同油品(即機油與葵花籽油)的油水分離，雖因前述油品的黏度較高而降低了油水分離效率，但仍可分別具有54Lm-2h-1與15Lm-2h-1之通量。
接著，如第5B圖所示，其顯示由一第一容器310與一第二容器320組裝而成之一分離裝置，且第一容器310 與第二容器320之間為相互連通。當將水/甲苯混合物裝至第一容器310，並將實施例2之多孔性材料(即修飾有表面處理層之濾紙)固定於第一容器310與一第二容器320之相連通處，且其中為清楚觀察到油水分離之現象而將水經由甲基藍(Methyl blue)染色以及將甲苯由甲基紅(Methyl red)染色。此時，可見實施例2之多孔性材料對於水與甲苯具有相當優異的選擇性並有效率地進行油水分離，以使得甲苯快速地通過多孔性材料由第一容器310進入第二容器320中。
藉此，當基底為濾紙時，本發明亦可以相同的方法處理並獲得對於油水分離具有良好選擇性與效率之多孔性材料，且基於濾紙本身之性質更可廣泛地應用於需大量且長時間處理油水混合物之情況。
[實施例3]
在實施例3中所選用之基底為陶瓷濾材，且其係厚度1mm以及平均孔徑為100nm之陶瓷濾材(購自Fraunhofer IKTS Ceramic Microfiltration Membrane，德國)。
接著，如步驟S202所示，將含有氧代氮代苯并環己烷之化合物溶於四氫呋喃中以製得含有1wt%至10wt%之聚合物的溶液，其中含有氧代氮代苯并環己烷之化合物已說明於實施例1，在此不再贅述。
在步驟S204中，將陶瓷濾材置放於一旋轉塗佈機(未繪示)的基板上。接著，於空氣中將0.5毫升之前述溶 液滴至陶瓷濾材上，並以轉速1000r.p.m旋轉30秒，此時溶液將由基底之本體的複數個表面逐漸滲入並充滿複數個孔洞。
在基底吸取足夠之溶液後，將其置於60℃之烘箱中進行烘乾，以於基底之本體表面及孔洞的內表面形成前驅物層覆蓋於其上，且前驅物層的材質即前述溶液中所包含之含有氧代氮代苯并環己烷之化合物。最後，如步驟S206所示，將已修飾有前驅物層的基底以240℃之處理溫度進行熱處理達3小時，以使前述前驅物層所包含之化合物中的氧代氮代苯并環己烷開環進行交聯而形成具有如式(3)所示之結構的表面處理層。
接著，後續進一步利用實施例3之多孔性材料進行油水分離之選擇性測試。請參考第6圖，第6圖係繪示本發明實施例3之多孔性材料進行水/甲苯分離步驟時交聯高分子材料含量與多孔性材料之通量及分離後甲苯中含水量的關係，其中實施例3與實施例1或實施例2不同的是其係利用呈乳化狀之水與甲苯的混合物來進行測試。具體地，前述呈乳化狀之水與甲苯的混合物係藉由將Span 80乳化劑加入至其中並攪拌而製得油包水乳化液，且水滴大小約為1.1μm。
如第6圖所示，當以濃度(即含有氧代氮代苯并環己烷之化合物於溶液中所佔之含量)大於或等於2wt%之溶液進行多孔性材料的製備時，其對於呈乳化狀之水/甲苯混合物具有良好的選擇性並可有效地降低甲苯中含水量至 284ppm。必須說明的是，殘餘的水應是歸因於25℃下水於甲苯中的溶解度(即330ppm)，由此可知實施例3之多孔性材料確實可有效地移除呈乳化狀之水/甲苯混合物的水。然而，含量過多的表面處理層在增加多孔性材料的疏水性之餘也會降低其孔隙率，是以當以濃度(即含有氧代氮代苯并環己烷之化合物於溶液中所佔之含量)為3wt%之溶液進行多孔性材料的製備時，其所製得之多孔性材料對於進行呈乳化狀之水/甲苯混合物的油水分離具有最佳的通量，即395Lm-2h-1。
綜上所述，本發明所提供之多孔性材料係以含有氧代氮代苯并環己烷之化合物作為處理劑並可以一通用方法處理現有之多孔性物質，如前述之海綿、濾紙與陶瓷濾材，進而使前述多孔性物質能夠高通量且有效地分離油/水並可重複使用，將可大幅提高產業上利用之可能。
雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

Claims (10)

  1. 一種多孔性材料，包含：一基底，包含一本體與形成於該本體中之複數個孔洞，且該本體包含至少一表面；以及一表面處理層，係覆蓋於該本體之該表面並延伸至該些孔洞之內表面；其中該表面處理層係由一含有氧代氮代苯并環己烷之化合物經熱處理而得，且該表面處理層不含有甲苯磺酸酯之殘基，該含有氧代氮代苯并環己烷之化合物係由一雙酚化合物、一具雙官能基之一級胺的化合物以及一甲醛或一聚縮醛合成而得，且該含有氧代氮代苯并環己烷之化合物具有如式(1)所示之一結構： 式(1)中a係0或1至3之一整數，n係2至2000之一整數，X係一化學鍵或一二價連接基團，而Y係該具雙官能基之一級胺的化合物之一殘基。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之多孔性材料，其中該X係-O-、-CH2-、-C(CH3)2-、-C(CF3)2-、-S-、-C(=O)-、-C(=S)-、-S(=O)-或-S(=O)2-。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之多孔性材料，其中該基底之該些孔洞的一平均孔徑係大於或等於 0.05μm且小於或等於10μm。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之多孔性材料，其中該基底係一海綿、一濾紙或一陶瓷濾材。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之多孔性材料，其中該基底係該海綿，且該表面處理層佔該基底之重量百分比係大於或等於25wt%且小於或等於40wt%。
  6. 一種如申請專利範圍第1項所述之多孔性材料的製備方法，包含：提供該基底；進行一溶液準備步驟，係用以提供一溶液，且該溶液包含該含有氧代氮代苯并環己烷之化合物；進行一前驅物層形成步驟，係利用該溶液形成一前驅物層覆蓋於該本體之該表面並延伸至該些孔洞之該些內表面；以及進行一熱處理步驟，係一處理溫度處理該前驅物層一處理時間以形成該表面處理層，其中該處理溫度係大於或等於200℃且小於或等於250℃，該處理時間係大於或等於1小時且小於或等於3小時，且該表面處理層不含有甲苯磺酸酯之殘基。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之製備方法，其中進行該前驅物層形成步驟係藉由一浸漬塗佈法來完 成。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之製備方法，其中進行該前驅物層形成步驟係藉由一旋轉塗佈法來完成。
  9. 如申請專利範圍第6項所述之製備方法，其中於提供該溶液的步驟中該含有氧代氮代苯并環己烷之化合物於該溶液中所佔之含量係大於或等於0.5wt%且小於或等於10wt%。
  10. 如申請專利範圍第6項所述之製備方法，其中該基底之該些孔洞的一平均孔徑係大於或等於0.05μm且小於或等於10μm。
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