新型油水分离滤网涂层的制备及其表面润湿性研究

【摘要】：仿生超疏水表面因其被赋予了自清洁、防雾防水等优异特殊功能，广泛地应用在生物功能材料、自清洁复合材料和微流体装置等领域，其中，利用仿生超疏水表面来改善油水分离过程的效率，已成为国内外学者争相研究的热点之一。本论文采用ATRP（原子转移自由基聚合）法合成了一系列的含氟嵌段共聚物，在选择性溶剂中嵌段共聚物进行自组装，成膜时构筑表面粗糙结构，同时含氟基团也向表面富集，从而制备出疏水性能较好的交联型涂膜表面。在此基础上，在聚合物胶束溶液体系中加入可交联型二氧化硅粒子，可在油水分离滤网表面制备多尺度复合结构涂膜，在改善滤网表面疏水性的同时，提高涂膜机械性能，促进表面具有多尺度复合结构涂膜的滤网油水高效分离的应用。与此同时，本文采用DPD模拟的方法，对类沙漠甲虫Stenocara背部集水的独特疏水亲油-亲水复合多尺度结构表面的溶解水和乳化水的聚结、水珠的运动行为进行初步研究，以期指导新型高效油水分离滤网的表面结构设计。为此，本文主要开展了以下方面的研究： (1)通过原子转移自由基聚合法（ATRP）在含氟丙烯酸酯树脂中引入亲油性单体甲基丙烯酸十八酯(SMA)，制备交联型疏水亲油树脂。利用FTIR、1HNMR和GPC对产物P(MMA-SMA-HEMA)-b-PFMA进行结构表征。研究发现，采用由丙酮、F113和S1的含氟嵌段共聚物组成的胶束乳液，在成膜温度为70℃，固化时间1h的条件下制备的涂膜，因含氟链段和PSMA的长饱和烷烃的侧链在涂膜表面聚集，改善共聚物涂膜的疏水亲油性，水在滤网上的接触角能最大达到145°，煤油接触角为38°，但涂膜的机械性能没有达到应用要求。 (2)采用ATRP聚合法制备可交联型SiO2-P(HEMA)粒子,用FTIR对产物进行结构表征，结果表明：随着KH550的加入量的减少，二氧化硅表面的羟基基团的量增多，粒子表面的引发点也减少，不利于在粒子表面接枝HEMA和改善粒子的疏水性；随着HEMA加入量的增加，二氧化硅粒子表面HEMA接枝率会越高。为了获得机械性能优异的疏水亲油涂层，实验采用丙酮作为溶剂，含氟嵌段共聚物与SiO2-P(HEMA)粒子的共混液在70℃温度下成膜，固化时间为1h，制备的涂膜的硬度和附着力最大能达到4H和1级；随着SiO2-P(HEMA)加入量的增大，涂层表面的水接触角也随之升高，最大能达到147°。 (3)利用耗散颗粒动力学方法(DPD)，开展了油液流动作用下滤网表面疏水亲油-亲水复合多尺度结构对溶解水和乳化水的聚结、水珠的运动行为的模拟研究，考察了剪切力大小、树脂表面上亲水粒子粒径以及亲水粒子间距对油品中乳化水聚结的影响。结果表明：在油水分离过程，合适的剪切力作用和亲水粒子有利于油相的乳化水在亲水粒子上聚结，通过调节亲水粒子的间距调控亲水粒子间的桥接现象。模拟的结论为新型高效油水分离滤网的表面结构设计提供有益的理论指导。