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超疏水表面的制备及其对不同表面张力液体选择性分离的研究

王苏浩  
【摘要】: ?润湿性是固体表面的重要特性之一,其应用十分广泛,如机械的润滑、摩擦、织物的印染、涂料的涂装等等,都与润湿性有着密切的关系。超疏水性表面是指水的接触角大于150°、滚落角小于10o的表面,由于它具有许多独特的表面性能,在自清洁材料、微流体、和减阻涂层等很多领域具有潜在的应用价值,因此在基础研究和实际应用中都受到了越来越密切的关注。 表面自由能和表面几何结构是材料表面润湿性的两个决定性的影响因素,因此研究人员据这此设计出制备超疏水表面的途径:一是在疏水材料表面构建微/纳米粗糙结构;二是在粗糙表面上修饰低表面能的物质。然而目前的绝大部分制备超疏水的方法只能用来在实验室制备,同时其工艺过程较为复杂繁琐、工艺成本较高,制备的超疏水表面机械强度较低,难以实现规模化制备和实际应用。因此开发超疏水表面规模化制备技术成为其实际应用的关键环节。此外,由于很多有机溶剂的表面张力远远小于水,因此目前制备的很多超疏水表面具有亲油的性质,这为人们利用超疏水亲油表面分离表面张力不同的液体提供了可能性,现在已有一些超疏水滤网用于油水分离的报道,但超疏水多孔材料对于不同表面张力液体的吸附和分离,尤其是对混溶液体进行分离的应用研究较少,还缺少油水分离效率和不同表面张力的混溶体系分离的系统研究。 本文开发了两种可规模化制备超疏水表面的方法,一种方法是利用工业原料聚苯硫醚微粉和疏水性二氧化硅纳米粉末,采用喷涂‐固化法在瓷砖表面制备疏水复合涂层,另一种方法是利用浸涂成膜法在滤纸/滤网的表面修饰了复合涂层,使滤纸/滤网具有超疏水亲油的特性。研究了制备条件与表面润湿性的关系和规律,并探索了其应用于分离不同表面张力液体的可行性。主要研究内容和结论如下:? 1.利用喷涂-固化法在瓷砖表面制备了聚苯硫醚-疏水性二氧化硅纳米超疏水复合涂层,研究了热处理温度和和原料配比对涂层表面润湿性能的影响,在热处理温度280℃、疏水性二氧化硅与聚苯硫醚质量比为1:1的条件下,制得的复合涂层表面水接触角大于150°,滚落角小于4°,该涂层对pH值1~14的水溶液都具有超疏性,并且具有良好的耐刮伤性和自清洁效应,有望应用于防玷污领域。 2.采用浸涂成膜法处理滤纸,获得了超疏水亲油特性,系统研究了涂层的制备条件对涂层表面结构和润湿性的影响,并将这种特殊润湿性滤纸应用于从水中分离低表面张力的液体。所制备的超疏水滤纸不但可以选择性地去除水面上漂浮的油,而且可以选择性地吸附乳液中乳化的油滴。超疏水滤纸对辛烷、柴油等非极性溶剂具有很强的吸附能力,吸附量可达到达2-3.4g/g。由于选择透过性,超疏水滤纸用于油水分离,具有96%~98%的油水分离效率,并且可以降低油中的水含量。此外,该超疏水滤纸还可以用来部分吸取乙醇-水混溶体系和异丙醇-水混溶体系中的低表面张力液体乙醇和异丙醇。所制备的超疏水滤纸具有可重复使用性和稳定性,使其在除油污、油水分离和油提纯领域具有应用前景。 3.利用浸涂成膜方法制备了超疏水不锈钢滤网,在热处理温度60℃、疏水性二氧化硅与聚苯硫醚质量比为1:1的条件下,制得的滤网具有超疏水和亲油特性,水的接触角可以达到154°,滚落角仅有5°,而柴油在其表面可完全铺展。该滤网可应用于油水分离,在油水体积比大于1:15时,油水分离效率可以达到94.6%以上,在油水分离领域具有实际应用的前景。


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