超润湿性棉布的制备及其在油水分离方面的应用
发布时间：2021-03-04 08:35
大量含油污水的排放和海上石油泄漏事故的频繁发生不仅是一种资源浪费,而且也对水资源造成了一定程度的破坏。随着仿生科学和界面科学的发展,人们研发出许多具有特殊润湿性表面的材料并将这些材料成功的用于油水分离方面。通常来说,制备特殊润湿性材料需要兼顾材料的表面粗糙结构和表面自由能。依据这一原则,本论文采用日常生活就能轻易得到的棉布作为基底,通过气-液相溶胶凝胶反应和点击化学反应制备出了两种不同润湿性的棉布,并且将其用于油水分离方面,从而满足实际生产和生活的多种需求。本文研究内容如下:（1）首先通过气-液相溶胶凝胶反应在棉布表面沉积一层巯基二氧化硅粒子（Si O2-SH）,然后利用巯基-烯点击化学反应接枝具有低表面能的1H,1H,2H,2H-全氟癸基丙烯酸酯（FMA）得到了具有超双疏性的棉布。制备出来的棉布对于表面张力大于27.5 m N/m的十六烷的接触角大于150°,展现出很好的疏水疏油性。该棉布分别经过水洗15次、胶带剥离测试40次、浸泡在酸碱溶液12 h或紫外光照射24 h之后仍然能保持疏水疏油角大于148°,具有较强的机械、化学稳定性和耐紫外性能。超双疏棉布在被乙...
【文章来源】：华南理工大学广东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
空气中的(a)Young氏模型，(b)Wenzel润湿模型和(c)Cassie润湿模型示意图
华南理工大学硕士学位论文4综上所述，固体表面的润湿性可以通过调控表面化学构成和表面粗糙结构来达成。Wenzel和Cassie理论润湿模型虽然都有一定的局限性，但是作为经典的润湿理论，仍然能解释很多问题，已经被广泛认可。图1-2水下的(a)Young氏模型，(b)Wenzel润湿模型和(c)Cassie润湿模型示意图Fig.1-2Schematicdiagramof(a)Youngmodel,(b)Wenzelmodeland(c)Cassiemodelinwater1.3超润湿材料在油水分离方面的应用随着界面科学和仿生科学的发展，越来越多的特殊润湿性材料被制备出来，研究人员发现，这些特殊润湿性的材料可能会对油和水产生不同的润湿性，因此可以用来进行油水分离。这些润湿性材料包括以下几种（1）超疏水/超亲油材料（2）超亲油/超疏水材料（3）智能响应性材料和（4）其他润湿性材料。1.3.1超疏水/超亲油型油水分离材料超疏水/超亲油材料是指材料表面的水接触角大于150°，水滚动角和油接触角小于10°的这一类材料。这类材料能够对水产生排斥性，对油展现出亲和性，这种对两种液体产生不同润湿性的特征，就能用来进行油水分离。从Wenzel和Cassie润湿理论可以知道，固体材料的润湿性主要由表面的粗糙结构和化学成分决定，因此制备这类超疏水材料一般有以下两种方法（1）在低表面能固体表面构造更进一步的纳微米级粗糙结构（2）在粗糙表面上修饰低表面能的物质，使得粗糙表面的表面能大大降低达到超疏水的效果。基于超疏水/超亲油润湿性，许许多多不同基底的超润湿材料被制备出来。主要包括作为过滤型的二维材料（金属网膜，织物，高分子聚合膜等）和吸附型的三维材料（碳材料，高分子聚合多孔材料等等）。1、二维分离材料金属网膜由于来源广泛，孔径均一、可控，被广泛用于制备超疏水/超亲油的油水分离材料[24,25]
5来构造粗糙度和降低表面能，然后加热使其固化的方法制备出了具有超疏水/超亲油的不锈钢网膜，并且将其用于分层油水混合物的油水分离，至此以后，特殊润湿性材料用于油水分离的研究也逐步增多，但是大部分的材料仅适用于分层的油水分离之中，乳化油水的分离仍然需要突破。我们课题组[27]首先利用自组装构造一层亲水的二氧化硅粒子，然后通过旋涂一层疏水的氟化物和二氧化硅的混合溶液，构造出了具有亲水区域的超疏水复合不锈钢网，然后利用亲水区域对水的亲和性将水从水包油乳液中聚集出来，具有很好的理论指导意义（图1-3）。图1-3(a)超疏水-亲水复合/超亲油的不锈钢网的SEM图；(b)分离油包水乳液时水滴聚集现象；(c)甲苯包水乳液分离前后照片[27]Fig.1-3SEMimageofsuperhydrophilicbumpssuperhydrophobic/superoleophilicstainlesssteelmesh.(b)Digitalimagesofwaterdropletsgatheringonthesurfaceofthefilter.(c)Digitalimagesofwater-in-tolueneemulsionbeforeandafterseparation[27]柔性材料织物，作为一种有孔径、简单易得、机械和化学性能的稳定的二维分离基底也经常用来制备超疏水/超亲油分离材料[28]。我们课题组在这方面研究比较广，Zhou[29]首先利用金属离子与植酸的层层自组装反应在棉布表面构造粗糙结构，然后用PDMS降低棉布表面的表面能，制备出了超疏水/超亲油的棉布。制备出来的棉布具有耐有机溶剂腐蚀、耐多种机械磨损和耐紫外光磨损的优点，并且能对多种油水混合物进行分离。用这个棉布将海绵包裹住，能够有效的将漂浮在水面上的油进行吸出，实现了二维过滤型材料向三维吸油材料的有效转变。此种方法还能对海绵，PET布，滤纸进行改性，具有广泛性（图1-4）。Hou[14]利用巯基-烯点击化学的方法在棉布表面接?
本文编号：3062905
【文章来源】：华南理工大学广东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
空气中的(a)Young氏模型，(b)Wenzel润湿模型和(c)Cassie润湿模型示意图
华南理工大学硕士学位论文4综上所述，固体表面的润湿性可以通过调控表面化学构成和表面粗糙结构来达成。Wenzel和Cassie理论润湿模型虽然都有一定的局限性，但是作为经典的润湿理论，仍然能解释很多问题，已经被广泛认可。图1-2水下的(a)Young氏模型，(b)Wenzel润湿模型和(c)Cassie润湿模型示意图Fig.1-2Schematicdiagramof(a)Youngmodel,(b)Wenzelmodeland(c)Cassiemodelinwater1.3超润湿材料在油水分离方面的应用随着界面科学和仿生科学的发展，越来越多的特殊润湿性材料被制备出来，研究人员发现，这些特殊润湿性的材料可能会对油和水产生不同的润湿性，因此可以用来进行油水分离。这些润湿性材料包括以下几种（1）超疏水/超亲油材料（2）超亲油/超疏水材料（3）智能响应性材料和（4）其他润湿性材料。1.3.1超疏水/超亲油型油水分离材料超疏水/超亲油材料是指材料表面的水接触角大于150°，水滚动角和油接触角小于10°的这一类材料。这类材料能够对水产生排斥性，对油展现出亲和性，这种对两种液体产生不同润湿性的特征，就能用来进行油水分离。从Wenzel和Cassie润湿理论可以知道，固体材料的润湿性主要由表面的粗糙结构和化学成分决定，因此制备这类超疏水材料一般有以下两种方法（1）在低表面能固体表面构造更进一步的纳微米级粗糙结构（2）在粗糙表面上修饰低表面能的物质，使得粗糙表面的表面能大大降低达到超疏水的效果。基于超疏水/超亲油润湿性，许许多多不同基底的超润湿材料被制备出来。主要包括作为过滤型的二维材料（金属网膜，织物，高分子聚合膜等）和吸附型的三维材料（碳材料，高分子聚合多孔材料等等）。1、二维分离材料金属网膜由于来源广泛，孔径均一、可控，被广泛用于制备超疏水/超亲油的油水分离材料[24,25]
5来构造粗糙度和降低表面能，然后加热使其固化的方法制备出了具有超疏水/超亲油的不锈钢网膜，并且将其用于分层油水混合物的油水分离，至此以后，特殊润湿性材料用于油水分离的研究也逐步增多，但是大部分的材料仅适用于分层的油水分离之中，乳化油水的分离仍然需要突破。我们课题组[27]首先利用自组装构造一层亲水的二氧化硅粒子，然后通过旋涂一层疏水的氟化物和二氧化硅的混合溶液，构造出了具有亲水区域的超疏水复合不锈钢网，然后利用亲水区域对水的亲和性将水从水包油乳液中聚集出来，具有很好的理论指导意义（图1-3）。图1-3(a)超疏水-亲水复合/超亲油的不锈钢网的SEM图；(b)分离油包水乳液时水滴聚集现象；(c)甲苯包水乳液分离前后照片[27]Fig.1-3SEMimageofsuperhydrophilicbumpssuperhydrophobic/superoleophilicstainlesssteelmesh.(b)Digitalimagesofwaterdropletsgatheringonthesurfaceofthefilter.(c)Digitalimagesofwater-in-tolueneemulsionbeforeandafterseparation[27]柔性材料织物，作为一种有孔径、简单易得、机械和化学性能的稳定的二维分离基底也经常用来制备超疏水/超亲油分离材料[28]。我们课题组在这方面研究比较广，Zhou[29]首先利用金属离子与植酸的层层自组装反应在棉布表面构造粗糙结构，然后用PDMS降低棉布表面的表面能，制备出了超疏水/超亲油的棉布。制备出来的棉布具有耐有机溶剂腐蚀、耐多种机械磨损和耐紫外光磨损的优点，并且能对多种油水混合物进行分离。用这个棉布将海绵包裹住，能够有效的将漂浮在水面上的油进行吸出，实现了二维过滤型材料向三维吸油材料的有效转变。此种方法还能对海绵，PET布，滤纸进行改性，具有广泛性（图1-4）。Hou[14]利用巯基-烯点击化学的方法在棉布表面接?
本文编号：3062905
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