疏水亲油性油水分离材料的制备与表征

摘要

油水分离材料的制备与研究是目前解决环境污染和资源浪费的一个重要方向。本文提出一种将表面微溶与气流喷涂相结合的纳米粒子表面涂覆技术，实现了低表面能聚四氟乙烯纳米颗粒在耐高温、耐酸碱性能优异的芳纶纸和高强耐磨的高致密锦纶机织布基材表面均匀涂覆和有效粘结牢度，开发出满足高温、强酸碱、强应力等特殊工况需求的油水分离材料，为新型油水分离材料开发提供新的途径和思路。主要工作分为两部分，具体如下:
　　首先，以耐高温、耐酸碱性能优异芳纶纸为基材，将其浸泡于N，N-二甲基乙酰胺(DMAc)和水的复配溶剂中15min后取出，然后使用气流喷枪在其表面喷射聚四氟乙烯(PTFE)纳米颗粒，制得PTFE表面涂覆芳纶纸油水分离材料。探讨了DMAc占溶剂总质量百分比对芳纶纸表面微溶效果的影响，利用SEM、XPS、TGA等测试手段表征了纯芳纶纸和PTFE涂层芳纶纸的表面形貌、元素含量以及热学性能，分析了纯芳纶纸和涂层芳纶纸的孔径分布、机械性能、亲水亲油性、耐酸碱耐高温性以及纳米颗粒在基体表面的粘附性，并考察了PTFE涂层芳纶纸的油水分离性能。结果表明:DMAc百分比为20wt％，芳纶纤维表面微溶柔和，对芳纶纸整体性能影响较小，且PTFE纳米颗粒涂层在其表面涂覆分散效果最佳;比表面能极低的PTFE纳米颗粒在芳纶纸表面形成了纳米级粗糙结构，具有较高疏水亲油性能，对重油和轻油均具有良好的分离效果，分离效率高达99％以上;同时该涂层材料在高温280℃时仍具有125°的水接触角;在强酸强碱环境下，该芳纶纸仍能保持135°左右的水接触角，具有很好的耐酸碱性和耐高温性，可满足高温及强酸碱等特殊工况条件下油水分离使用需求。
　　其次，以奥利弗宝改性疏水疏油平纹结构锦纶机织布为基材，将其单侧浸泡于不同质量百分比的甲酸溶液中，然后采用气流喷枪将PTFE纳米颗粒喷涂于其表面，得到一侧疏水亲油，一侧疏水疏油不同对称结构油水分离材料。分析了甲酸溶液百分比对锦纶纤维表面微溶效果，选出最优的甲酸溶液，利用SEM、XPS、TGA等测试手段对纯锦纶织物和涂层后的锦纶织物的表面形貌、元素含量以及热学性能进行表征，考察了其孔径分布、机械性能和油水分离的性能。结果表明:甲酸的最优浓度为20wt％。制备的涂层材料对多种类的油水混合物均达到99％以上的分离效率，同时由于处理之后的锦纶机织布的强度为138.97MPa，具有优异的拉伸力学性能，可满足强应力等特殊工况条件下油水分离使用需求。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 构建疏水表面的基体分类

1．2．1 疏水亲油型金属网

1．2．2 吸油性基体材料

1．2．3 疏水亲油型纤维素基体

1．3 纤维素基体疏水表面制备方法

1．3．1 浸渍涂层法

1．3．2 湿化学刻蚀法

1．3．3 化学浴沉积法

1．3．4 电场辅助刻蚀／沉积法

1．3．5 喷枪涂层法

1．3．6 其他湿化学方法

1．3．7 化学气相沉积法

1．3．8 等离子刻蚀法

1．3．9 其他的干型法

1．4 常用制备疏水涂层的低表面能材料

1．4．1 有机硅化合物

1．4．2 烷烃类化合物

1．4．3 含氟化合物

1．4．4 其他化合物

1．5 固体表面的润湿性

1．5．1 润湿原理

1．5．2 Wenzel模型和Cassie-Baxter模型的对比分析

1．5．3 Wenzel模型和Cassie-Baxter模型的实用性

1．5．4 含氟化合物润湿性的作用机理

1．6 本课题的主要研究内容及意义

第二章 疏水亲油型芳纶纸基油水分离材料的制备及表征

2．1 引言

2．2 实验原料与设备

2．2．1 实验原料

2．2．2 实验设备

2．3 芳纶纸基油水分离材料的制备

2．4 测试与表征

2．4．1 芳纶纸表面形貌测试

2．4．2 芳纶纸孔径分布测试

2．4．3 机械性能测试

2．4．4 芳纶纸的亲水亲油性测试

2．4．5 涂层的粘附性测试

2．4．6 X射线光电子能谱分析(XPS)

2．4．7 热重测试(TG-DTG)

2．4．8 重油和轻油的分离过程表征

2．4．9 芳纶纸涂层前后的耐酸碱性和耐高温性测试

2．5 结果与讨论

2．5．1 芳纶纸在浸泡及喷射前后的表面形貌分析

2．5．2 孔径分布分析

2．5．3 机械性能分析

2．5．4 芳纶纸基涂层前后的接触角分析

2．5．5 芳纶纸基涂层的粘附性分析

2．5．6 芳纶纸基涂层前后的x射线光电子能谱分析

2．5．7 芳纶纸基涂层的热重分析

2．5．8 重油和轻油分离过程分析

2．5．9 芳纶纸基涂层的耐酸碱性和耐高温性分析

2．6 本章小结

第三章 不对称型锦纶机织布油水分离材料的制备及表征

3．1 引言

3．2 实验原料与设备

3．2．1 实验原料

3．2．2 实验设备

3．3 锦纶机织布油水分离材料的制备

3．4 测试与表征

3．4．1 锦纶机织布的表面形貌测试

3．4．2 锦纶机织布经过不同方式处理后的孔径分布测试

3．4．3 机械性能测试

3．4．4 X射线光电子能谱分析(XPS)

3．4．5 锦纶机织布的亲水亲油性测试

3．4．6 热重测试(TG-DTG)

3．4．7 油水分离过程表征

3．5 结果与讨论

3．5．1 经不同质量百分比甲酸溶液处理后的实物图和微观表面形貌

3．5．2 锦纶机织布经过不同处理后的微观表面形貌

3．5．3 锦纶机织布经过不同处理后的孔径分布分析

3．5．4 锦纶机织布经过不同处理后的机械性能

3．5．5 XPS分析

3．5．6 锦纶机织布经过不同处理后的亲水亲油性分析

3．5．7 锦纶机织布经过不同处理后的热重分析

3．5．8 油水分离过程分析

3．6 本章小结

第四章 结论与展望

4．1 结论

4．2 展望

参考文献

发表论文和参加科研情况

致谢