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堅(jiān)固，耐用，可量產(chǎn)的氟接枝石墨烯基超疏水涂層在惡劣環(huán)境下有效的油/水分離

閱讀：384發(fā)布：2020-05-11

專利匯可以提供堅(jiān)固，耐用，可量產(chǎn)的氟接枝石墨烯基超疏水涂層在惡劣環(huán)境下有效的油/水分離專利檢索，專利查詢，專利分析的服務(wù)。并且本 發(fā)明 是堅(jiān)固，耐用，可量產(chǎn)的氟接枝 石墨 烯基超疏 水 涂層在惡劣環(huán)境下有效的油/水分離。利用簡(jiǎn)單，低成本，高效和易于擴(kuò)大生產(chǎn)的方法制備具有特殊 潤(rùn)濕性 的材料，將其用于苛刻條件下的有效的油/水分離仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。本 申請(qǐng) 利用簡(jiǎn)單的 浸涂 方法制備了氟接枝的 石墨烯 基涂層。這種涂層可以耐受苛刻的實(shí)際環(huán)境，如沸水，高酸，高 堿 和飽和鹽溶液。涂覆的 泡沫 可以吸收油/水混合物中的油，且具有很高的吸收能 力 。重要的是，僅在重力作用下，涂覆的膜可有效的分離 表面活性劑 穩(wěn)定的油包水乳液，具有高的循環(huán)性能和極大的通量。該涂料的卓越性能(包括耐久性，可回收性，可量產(chǎn)性和耐惡劣環(huán)境等)突顯了其在乳液分離和清理 溢油 方面的實(shí)際應(yīng)用。，下面是堅(jiān)固，耐用，可量產(chǎn)的氟接枝石墨烯基超疏水涂層在惡劣環(huán)境下有效的油/水分離專利的具體信息內(nèi)容。

1.一種可在惡劣環(huán)境下分離油/水的全氟烷基接枝石墨烯復(fù)合涂層，其特征在于，包括：基底、氧化1-芘丁酸粘結(jié)層、全氟烷基接枝石墨烯涂層；其中，
所述f-rGO、OPBA的質(zhì)量比為1:0.5，其中，f-rGO即為全氟烷基接枝石墨烯，OPBA即為氧化1-芘丁酸；
所述基底為聚丙烯膜、棉布或聚氨酯泡沫，基底的質(zhì)量為復(fù)合涂層總質(zhì)量的90％～
95％；
所述全氟烷基接枝石墨烯復(fù)合涂層的制備方法包括：
將f-rGO分散液與OPBA分散液混合均勻，得混合液；
將基底材料浸入上述混合液浸涂均勻，干燥，即得；
所述混合溶液中，f-rGO的質(zhì)量濃度為0.06～0.066mg/ml，所述OPBA的質(zhì)量濃度為0.03～0.033mg/ml；
所述混合液的溶質(zhì)為乙醇。

說(shuō)明書(shū)全文

堅(jiān)固，耐用，可量產(chǎn)的氟接枝石墨烯基超疏水涂層在惡劣環(huán)境

下有效的油/水分離

技術(shù)領(lǐng)域

[0001] 本發(fā)明屬于油水分離領(lǐng)域，特別涉及堅(jiān)固，耐用，可量產(chǎn)的氟接枝石墨烯基超疏水涂層在惡劣環(huán)境下有效的油/水分離。

背景技術(shù)

[0002] 歸因于日益增長(zhǎng)的工業(yè)油污水以及頻繁的溢油事故，油水分離已經(jīng)成為一個(gè)全球性問(wèn)題。傳統(tǒng)的油水分離技術(shù)，例如離心，濾油器，浮選和聚沉等，由于其低分離效率，能源成本和復(fù)雜的分離儀器而在實(shí)際應(yīng)用中受限。此外，這些技術(shù)不能有效地進(jìn)行油水分離。設(shè)計(jì)制備具有特殊潤(rùn)濕性的材料是有效分離油水混合物的一種有效方法。在這些材料中，超疏水超親油材料證明是很好的候選物?；诖耍藗円呀?jīng)采用不同的方法(光刻，電沉積，膠體組裝，化學(xué)氣相沉積和靜電紡絲等)制備了具有極佳防水性能的人造表面。例如，Lin等報(bào)道了具有單向油輸送能力的雙層超雙疏/超疏水-親油性的納米纖維膜。Yu等合成了多孔配位聚合物作為涂層，以從水中吸收油。我們組通過(guò)控制無(wú)規(guī)共聚物各組分的含量，制備了具有pH響應(yīng)性的油水分離涂層；也通過(guò)靜電紡絲的方法制備了用于油水分離的自修復(fù)薄膜。然而，盡管已經(jīng)在表面潤(rùn)濕行為方面取得了許多進(jìn)展，但這些成果具有一些限制，例如復(fù)雜和耗時(shí)的制備以及試劑和設(shè)備的高成本，這限制了實(shí)際應(yīng)用。
[0003] 除了上述限制外，因?yàn)樵?a href='/zhuanli/list-18634-1.html' target='_blank'>機(jī)械加工，冶金，運(yùn)輸，石油工業(yè)等中通常遇到乳液，所以設(shè)計(jì)機(jī)械性能穩(wěn)定和對(duì)復(fù)雜環(huán)境具有抵抗性的材料用于分離乳化油/水混合物也是非常重要的。Feng等制備了一種水凝膠涂附的濾紙，可以在高度酸性，堿性和鹽的環(huán)境中分離油/水乳液。然而，該膜的主要缺點(diǎn)是其環(huán)境適應(yīng)性弱，這是因?yàn)樗z吸水后，容易溶脹并變軟。Kanamori等合成了各種棉花糖狀的凝膠基于烷氧基硅烷上，用于在相對(duì)高的溫度下吸收有機(jī)溶劑。但是這種凝膠不能分離油水乳液。盡管Jin等制備了一種單壁碳納米管膜用于分離油包水乳液，通量高達(dá)100?000L?m-2h-1bar-1且分離效率>99.95％。但是單壁碳納米管的高成本和外加的壓力限制了這種薄膜僅適用于實(shí)驗(yàn)室分離裝置。因此，通過(guò)經(jīng)濟(jì)有效和簡(jiǎn)單的制造工藝制備新穎穩(wěn)定的超疏水表面仍然是重要的需求，其預(yù)期不僅在惡劣的實(shí)際條件下是穩(wěn)定的，而且還要完全分離油/水混合物，特別是用于表面活性劑穩(wěn)定的油/水乳液。

發(fā)明內(nèi)容

[0004] 為了克服上述不足，本發(fā)明提供一種可在惡劣環(huán)境下分離油/水的全氟烷基接枝石墨烯復(fù)合涂層。通過(guò)低成本和溶液浸泡可生產(chǎn)的浸涂方法，由氟接枝石墨烯(f-rGO)和氧化1-芘丁酸(OPBA)作為分子膠組成的涂層可以密集地粘附在商業(yè)材料如聚丙烯(PP)膜，棉布和聚氨酯(PU)泡沫(圖1)。與以前報(bào)道的超潤(rùn)濕材料相比，我們的超疏水涂層具有更廣泛的優(yōu)點(diǎn)，包括在基材上極強(qiáng)的粘合強(qiáng)度和對(duì)高酸性，堿性和飽和鹽溶液的優(yōu)異排斥性以及經(jīng)濟(jì)和方便的制備方法。更重要的是，涂覆膜表現(xiàn)出僅在重力作用下具有極強(qiáng)表面活性劑穩(wěn)定的油包水乳液的高分離效率以及極大的分離通量。
[0005] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0006] 本發(fā)明提供了全氟烷基接枝石墨烯涂層(f-rGO)在惡劣環(huán)境下分離油/水中應(yīng)用。
[0007] 本發(fā)明還提供了一種可在惡劣環(huán)境下分離油/水的全氟烷基接枝石墨烯復(fù)合涂層，包括：
[0008] 基底；
[0009] 氧化1-芘丁酸(OPBA)粘結(jié)層；
[0010] 全氟烷基接枝石墨烯涂層f-rGO。
[0011] 優(yōu)選的，所述基底為聚丙烯(PP)膜、棉布或聚氨酯(PU)泡沫。
[0012] 優(yōu)選的，所述f-rGO、OPBA的質(zhì)量比為1:0.35～0.5，最優(yōu)選的，所述f-rGO、OPBA的質(zhì)量比為1：0.5。
[0013] 優(yōu)選的，所述基底的質(zhì)量為復(fù)合涂層總質(zhì)量的90％～95％，研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)涂層的重量達(dá)總重量的5％以上時(shí)，可獲得預(yù)期的油水分離性能。
[0014] 本發(fā)明還提供了一種可在惡劣環(huán)境下分離油/水的全氟烷基接枝石墨烯復(fù)合涂層的制備方法，包括：
[0015] 將全氟烷基接枝石墨烯f-rGO分散液與氧化1-芘丁酸(OPBA)分散液混合均勻，得混合液；
[0016] 將基底材料浸入上述混合液浸涂均勻，干燥，即得。
[0017] 優(yōu)選的，所述混合溶液中，f-rGO的質(zhì)量濃度為0.06～0.066mg/ml，所述OPBA的質(zhì)量濃度為0.03～0.033mg/ml。
[0018] 優(yōu)選的，所述混合液的溶質(zhì)為乙醇。
[0019] 優(yōu)選的，所述基底材料為聚丙烯(PP)膜、棉布或聚氨酯(PU)泡沫。
[0020] 本發(fā)明還提供了任一上述方法制備的可在惡劣環(huán)境下分離油/水的全氟烷基接枝石墨烯復(fù)合涂層。如圖1所示。在此過(guò)程中，OPBA用作連接f-rGO和不同底物的分子膠水。涂層易于擴(kuò)大制備，并且可以容忍惡劣的實(shí)際環(huán)境。
[0021] 本發(fā)明的有益效果
[0022] (1)本發(fā)明通過(guò)簡(jiǎn)單的浸涂方法，使用OPBA作為分子膠粘水將氟接枝的石墨烯黏附到包括商業(yè)PP膜，棉布和PU泡沫上制備出多功能的超疏水超親油材料。且這些材料可以耐受苛刻的實(shí)際條件，如沸水，強(qiáng)酸，強(qiáng)堿和飽和鹽溶液。重要的是，僅在重力下，涂覆的PP膜可以高效地分離表面活性劑穩(wěn)定的油包水乳液，并且有著極高的分離通量。此外，涂覆的PU泡沫體也具有高的吸油能力和可循環(huán)性能。本發(fā)明通過(guò)此種方法制備涂層方法可以有效地分離一系列表面活性劑穩(wěn)定的乳液和清理工業(yè)和日常生活中產(chǎn)生的溢油。
[0023] (2)本發(fā)明制備方法簡(jiǎn)單、分離效率高、實(shí)用性強(qiáng)，易于推廣。附圖說(shuō)明
[0024] 構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分的說(shuō)明書(shū)附圖用來(lái)提供對(duì)本申請(qǐng)的進(jìn)一步理解，本申請(qǐng)的示意性實(shí)施例及其說(shuō)明用于解釋本申請(qǐng)，并不構(gòu)成對(duì)本申請(qǐng)的不當(dāng)限定。
[0025] 圖1是f-rGO/OPBA涂層在不同基材上的制備過(guò)程示意圖。
[0026] 圖2是不同涂層狀態(tài)圖，其中，(a)是不同質(zhì)量比的f-rGO/OPBA涂層的水接觸角(CA)變化；(b)、(c)是未涂覆的PP膜和f-rGO/OPBA浸涂的PP膜的SEM圖像；(d)是將水滴滴在未涂覆的PP膜上的動(dòng)態(tài)接觸角測(cè)量圖：(f)是將己烷液滴滴在涂覆的PP膜上的動(dòng)態(tài)接觸角測(cè)量圖；(e)、(g)分別是在空氣(e)和正己烷(g)中分別將水滴滴在涂覆的PP膜上的動(dòng)態(tài)接觸角測(cè)量圖。
[0027] 圖3是f-rGO成功合成的表征圖。其中(a)是XRD圖；(b)是傅里葉紅外圖；(c)是EDS圖。
[0028] 圖4是PP膜和f-rGO/OPBA涂覆PP膜的TGA測(cè)試圖。
[0029] 圖5是不同涂膜的性能測(cè)試圖，其中，(a)是f-rGO/OPBA涂層PP膜在快速攪拌下浸入100℃熱水中的穩(wěn)定性圖；(b)是當(dāng)在腐蝕性溶劑如6M?HCl，6M?NaOH和飽和NaCl溶液中浸泡24小時(shí)時(shí)，涂覆的PP膜的水CA測(cè)量值；其插圖是在涂覆的PP膜上的6M?HCl，6M?NaOH和飽和NaCl液滴的照片；(c)是用手摩擦1000次涂覆的PP膜的機(jī)械耐久性；其插圖是機(jī)械摩擦1000次后的照片；(d)是在油(例如正己烷和二氯甲烷)下涂覆的PP膜的穩(wěn)定性圖；其插圖是在油下涂覆的PP膜上的水滴的照片。
[0030] 圖6是f-rGO/OPBA涂層PP膜油包水乳液分離測(cè)試圖。其中，(a)是二氯甲烷包水乳液分離過(guò)程；(b)，(c)，(d)分別是二氯甲烷包水，甲苯包水以及花生油包水乳液分離前后的DLS測(cè)試圖。
[0031] 圖7是包水乳液實(shí)驗(yàn)分析圖；其中，(a)是過(guò)濾前后的span80穩(wěn)定的花生油包水乳液的光學(xué)顯微鏡圖像；(b)、(c)分別是對(duì)span80穩(wěn)定的三氯甲烷包水乳液(b)和span80穩(wěn)定的汽油包水乳液(c)進(jìn)行過(guò)濾之前和之后(插圖)的液滴尺寸的DLS測(cè)試圖；(d)是通過(guò)使用span80穩(wěn)定的二氯甲烷包水乳液作為示例的可擴(kuò)大分離的視圖。
[0032] 圖8是油包水乳液分離實(shí)驗(yàn)圖，其中，(a)是各種span80穩(wěn)定的油包水乳液分離的通量和殘留水含量圖；(b)是通過(guò)分離span80穩(wěn)定的W/Di乳液，用乙醇洗滌20次循環(huán)后涂覆的PP膜的循環(huán)性能測(cè)試結(jié)果圖；(c)、(d)分別是機(jī)械揉搓1000次后(c)和分別浸泡到6M?HCl?24小時(shí)(d)后涂覆的PP膜的機(jī)械和化學(xué)耐久性測(cè)量結(jié)果圖。(e)、(f)分別是分離油包6M?HClaq乳液，6M?NaOHaq乳液和飽和NaClaq乳液后的通量(e)和殘留水分含量(f)圖。
[0033] 圖9是f-rGO/OPBA涂層棉布的超疏水超親油性圖。其中(a)，(b)分別是原始棉布和涂層棉布的SEM表征圖；(c)是涂層棉布的超疏水靜態(tài)接觸角圖；(d)，(e)分別是原始棉布和涂層棉布的潤(rùn)濕性直觀照片；(f)是涂層棉布的親油性靜態(tài)接觸角圖。
[0034] 圖10是涂層棉布的化學(xué)穩(wěn)定性與機(jī)械性能穩(wěn)定性測(cè)試圖。其中，(a)是不同pH水溶液的靜態(tài)接觸角測(cè)試圖；(b)是在不同pH水溶液中浸泡不同時(shí)間的水接觸角測(cè)試圖；(c)是在沸水中煮沸不同時(shí)間的接觸角測(cè)試圖；(d)是揉搓不同次數(shù)的接觸角測(cè)試圖。
[0035] 圖11是f-rGO/OPBA涂層PU海綿的超疏水超親油性圖。其中，(a)，(b)分別是原始海綿和涂層海綿的SEM表征圖；(c)是涂層海綿的銀鏡現(xiàn)象，證明其超疏水性；(d)是涂層海綿的親油性靜態(tài)接觸角圖；(e)是涂層海綿的滾動(dòng)角測(cè)試圖。
[0036] 圖12是涂層吸收能力測(cè)試圖，其中，(a)、(b)分別是f-rGO/OPBA涂覆的PU泡沫在水上(a)吸收正己烷和在水下(b)吸收二氯甲烷的照片；(c)是涂層PU海綿對(duì)不同有機(jī)溶劑和油的吸收能力圖；(d)是通過(guò)擠壓100次循環(huán)后，涂覆的PU泡沫體對(duì)氯仿的吸收能力循環(huán)圖。

具體實(shí)施方式

[0037] 應(yīng)該指出，以下詳細(xì)說(shuō)明都是例示性的，旨在對(duì)本申請(qǐng)?zhí)峁┻M(jìn)一步的說(shuō)明。除非另有指明，本文使用的所有技術(shù)和科學(xué)術(shù)語(yǔ)具有與本申請(qǐng)所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員通常理解的相同含義。
[0038] 實(shí)施例1
[0039] 1.實(shí)驗(yàn)部分
[0040] 1.1物料
[0041] 天然石墨片(8000目，純度99.95％)，全氟辛基碘和4-碘苯胺由阿拉丁提供；濃硫酸(質(zhì)量份數(shù)95-98％)，濃鹽酸(質(zhì)量份數(shù)36-38％)，高錳酸鉀和銅分析純，購(gòu)自北京化工廠(中國(guó))。過(guò)氧化氫(H2O2)和硝酸鈉由萊陽(yáng)石康化學(xué)公司提供。OPBA(4-Oxo-4-Pyren-1-yl-Butyric?Acid)購(gòu)自瑪雅世紀(jì)。聚丙烯(PP)膜，棉布和聚氨酯(PU)泡沫從當(dāng)?shù)厣痰曩?gòu)買。
[0042] 1.2對(duì)全氟辛基苯胺的制備(Rf-NH2)
[0043] 將全氟辛基碘(5.46g，0.01mol)，4-碘苯胺(1.46g，0.0067mol)和銅(1.28g，0.02mol)在25ml?DMSO中的分散體在120℃下攪拌加熱12小時(shí)，連接到回流冷凝器的100ml燒瓶中。通過(guò)過(guò)濾除去生成的碘化銅和過(guò)量的銅。向?yàn)V液中加入10ml水和10ml乙醚。將醚層用水洗滌數(shù)次以除去DMSO和全氟辛基碘，然后使用石油醚和乙酸乙酯(體積比15:1)作為洗脫液(1.2g，產(chǎn)率：35.3％)通過(guò)柱色譜法純化產(chǎn)物。1H-NMR(氯仿-d)：4.23(br?s，2H)，7.54(d，J＝8.8Hz，2H)，7.72(d，J＝8.8Hz，2H)。
[0044] 1.3全氟烷基接枝石墨烯(f-rGO)的制備
[0045] 使用Hummers法從天然石墨制備石墨烯氧化物(GO)。將GO(0.6g)與4-(全氟辛基)苯胺(0.9g)加入到90ml乙醇的三口燒瓶。將混合物在100℃下攪拌回流24小時(shí)。然后將所得溶液通過(guò)平均孔徑為0.22μm的PP膜過(guò)濾。將過(guò)濾的粉末用超聲波清洗5分鐘在100ml乙醇中漂洗，然后過(guò)濾。將漂洗過(guò)濾重復(fù)4次以除去物理吸收的4-(全氟辛基)苯胺。最后，配置成一定濃度的f-rGO乙醇分散液。
[0046] 1.4f-rGO/OPBA涂層材料的制造
[0047] 使用浸涂法制備超疏水超親油的f-rGO/OPBA涂層材料。將4ml的f-rGO乙醇溶液(1mg/ml)和2ml的OPBA乙醇溶液(1mg/ml)加入到60ml乙醇中，攪拌約20分鐘，形成均勻分散的溶液。將PP膜或棉布或PU泡沫在攪拌下放入上述溶液中約1小時(shí)，并在100℃的烘箱中干燥1小時(shí)。
[0048] 1.5表面活性劑穩(wěn)定的油包水乳液的制備
[0049] 對(duì)于所有span80穩(wěn)定的油包水乳液，將0.35g?span80分別加入到57mL三氯甲烷，汽油，二氯甲烷，正己烷，甲苯和花生油中，然后加入1mL水。將混合物攪拌3小時(shí)。所有乳液在環(huán)境條件下穩(wěn)定超過(guò)1周。
[0050] 2.乳液分離實(shí)驗(yàn)
[0051] 通過(guò)分離裝置進(jìn)行油/水乳液分離實(shí)驗(yàn)。整個(gè)分離過(guò)程僅由重力驅(qū)動(dòng)。為了測(cè)量通量，將30mL各種乳液倒入分離裝置中。記錄分離后中間10mL液體的時(shí)間，并按照下式計(jì)算涂膜的分離通量：
[0052] Flux＝V/St
[0053] 其中，V(L)是分離后的體積，S(m2)是膜的有效面積，t(h)是測(cè)試時(shí)間。用Karl?Fischer水分滴定法測(cè)定分離后的含水量。
[0054] 3.儀器和表征
[0055] FTIR譜圖是在FTIR光譜儀IR?Prestige-21(Shimadzu，Japan)上獲得。在D-8ADVANCE?X射線衍射儀(Bruker?AXS，Germany)上進(jìn)行X射線衍射(XRD)的測(cè)試。在SDT?Q600(TA，USA)上進(jìn)行熱重分析(TGA)。通過(guò)掃描電子顯微鏡(SEM，S-4700)進(jìn)行(EDX)光譜測(cè)試。
涂覆材料的形貌通過(guò)SEM(S-4700)在20kV下工作表征。通過(guò)光學(xué)顯微鏡(BM2000)和動(dòng)態(tài)光散射(DLS)測(cè)量(ZEN3690，Germany)觀察乳液液滴的直徑分布。使用接觸角計(jì)(DSA30，USA)測(cè)量表面接觸角。對(duì)于接觸角測(cè)試，將體積為3.0μL的液滴滴在涂覆材料的表面上，并檢查至少三個(gè)不同的樣品區(qū)域以獲得平均接觸角值。使用Karl?Fischer水分滴定儀(WS-3000，微量水分測(cè)定儀，淄博，中國(guó))測(cè)定分離后的含水量。
[0056] 4.結(jié)果與討論
[0057] 本發(fā)明通過(guò)4-(全氟辛基)苯胺和氧化石墨烯的反應(yīng)制備了f-rGO。在浸涂過(guò)程中，OPBA作為分子膠水來(lái)連接f-rGO和基底。為了證明OPBA的關(guān)鍵作用，將不同質(zhì)量比的f-rGO和OPBA分散在乙醇溶液中。商業(yè)型PP膜首次被用作驗(yàn)證概念研究的基底。如圖2a所示，在PP膜上浸涂不同質(zhì)量比的f-rGO/OPBA后的水接觸角(CA)的變化。當(dāng)f-rGO/OPBA的質(zhì)量比為1:0.5，得到水CA為163.7°的PP膜。由于OPBA的親水特性，OPBA含量的進(jìn)一步增加導(dǎo)致水CA降低(圖2a)。因此，我們選擇f-rGO/OPBA的質(zhì)量比為1：0.5涂層用于后續(xù)實(shí)驗(yàn)。
[0058] 典型的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像顯示未涂覆的PP膜的光滑表面(圖2b)。浸涂f-rGO/OPBA后，起皺的f-rGO片材牢固地粘在PP膜的表面上(圖2c)。環(huán)掃電鏡能譜儀(EDX)顯示纖維表面上的f-rGO的元素F(圖3c)，表明f-rGO/OPBA成功地涂覆在PP膜上。通過(guò)熱重分析估計(jì)f-rGO/OPBA涂層的量為約5wt％(圖4)。根據(jù)從楊氏方程得出的Cassie模型，我們認(rèn)為，特殊潤(rùn)濕性歸因于分級(jí)微納米結(jié)構(gòu)表面和f-rGO/OPBA涂層。
[0059] 為了檢查水和油在膜上的動(dòng)態(tài)潤(rùn)濕行為，使用高速相機(jī)系統(tǒng)記錄液滴的鋪展過(guò)程。當(dāng)水滴(3uL)與未涂覆的PP膜接觸時(shí)，其迅速擴(kuò)散并在一秒內(nèi)滲透到膜中，并且水CA約為0°(圖2d)。相反，當(dāng)水滴被迫與涂層的表面充分接觸然后提起時(shí)，水滴在離開(kāi)膜表面時(shí)幾乎沒(méi)有變形，表明涂覆的PP膜具有超疏水性，具有超低粘附性(圖2e)。當(dāng)3uL油滴(正己烷作為實(shí)例)與f-rGO/OPBA涂覆的PP膜接觸時(shí)，其立即滲透到膜中，表明涂膜的超親油特性(圖2f)。更有趣的是，當(dāng)水滴在正己烷下與涂覆的PP膜接觸時(shí)，液滴在離開(kāi)表面時(shí)仍然沒(méi)有變形(圖2g)，不同于氟化表面的超疏油性，當(dāng)接觸水時(shí)其超疏油性被剝奪，導(dǎo)致拒油性降低。
油中超疏水性可能有助于油包水乳液分離的高通量。
[0060] 考慮到廢水通常在機(jī)械，冶金，運(yùn)輸，石油工業(yè)等復(fù)雜環(huán)境中生產(chǎn)，獨(dú)特的涂料應(yīng)該承受惡劣的條件，而不會(huì)失去超疏水性。因此，在各種苛刻條件下檢測(cè)f-rGO/OPBA涂層的穩(wěn)定性。圖5a顯示了在劇烈攪拌下f-rGO/OPBA涂覆的PP膜在沸水(100℃)中的水CA變化。浸入沸水中24小時(shí)后，水CA仍高于150°，表明涂覆的PP膜具有耐高溫特性(圖5a)。除耐熱水性外，f-rGO/OPBA涂覆的PP膜在強(qiáng)酸，強(qiáng)堿和飽和鹽溶液非常穩(wěn)定。在6M?HCl，6M?NaOH和飽和NaCl溶液中浸泡長(zhǎng)達(dá)24小時(shí)后，靜態(tài)接觸角幾乎不變(水CA>148°)，表明涂覆的PP膜在腐蝕性溶液中具有良好的穩(wěn)定性(圖5b)。
[0061] 為了測(cè)試f-rGO/OPBA涂層和基底之間的粘合強(qiáng)度，我們用手揉搓了涂覆的PP膜，并將15秒定義為一個(gè)疲勞循環(huán)(圖5c。經(jīng)過(guò)1000次摩擦循環(huán)，涂覆的PP膜的表面結(jié)構(gòu)顯示出輕微的變化，并且PP膜仍然保持疏水性，水CA為143°，表明涂膜的完美機(jī)械穩(wěn)定性。油下超疏水特性的穩(wěn)定性也通過(guò)將涂布的PP膜浸泡在不同有機(jī)溶劑中、在不同時(shí)間段的接觸角的變化來(lái)測(cè)量。浸泡在正己烷和二氯甲烷3天后，水CA幾乎保持不變(圖5d)。膜的油下超疏水性的超穩(wěn)定性與報(bào)道的在空氣中疏水的表面完全不同，因?yàn)檫@些疏水性表面在油下失去其疏水性能。
[0062] 接下來(lái)，使用堅(jiān)韌耐腐蝕的f-rGO/OPBA涂覆的PP膜來(lái)分離油/水乳液。制備具有微米和納米級(jí)的乳滴尺寸的表面活性劑穩(wěn)定的乳液。乳液在室溫環(huán)境中放置超過(guò)1周未觀察到破乳或沉淀，表明乳液具有良好的穩(wěn)定性。將f-rGO/OPBA涂覆的PP膜固定在兩個(gè)垂直玻璃管之間(圖6a)。所有的乳液的尺寸在幾百納米到幾微米的范圍內(nèi)。相應(yīng)地，在收集的濾液中，通過(guò)光學(xué)顯微鏡觀察不到乳滴的存在(圖7a)。此外，DLS測(cè)試顯示了分離前后的液滴尺寸得差異。分離前的乳液粒徑在100nm到2μm之間變化，而分離后的粒徑在4-8,3-6,5-9,3-10,10-13和5-10nm的范圍內(nèi)span80穩(wěn)定的三氯甲烷包水(span80-W/Tr)，span80穩(wěn)定的汽油包水(span80-W/G)，span80穩(wěn)定的二氯甲烷包水(span80-W/Di)，span80穩(wěn)定的甲苯包水(span80-W/T)span80穩(wěn)定的正己烷包水(span80-W/H)，span80穩(wěn)定的花生油包水(span80-W/P)(圖7b，c，圖6b-d，表1)，表明涂覆的PP膜可以以高質(zhì)量的分離乳液。
[0063] 表1不同乳液的分離結(jié)果。
[0064]
[0065] 考慮到f-rGO/OPBA涂層的表面制備，測(cè)量了1L乳液的分離。如圖7d所示，將f-rGO/OPBA分散體浸涂在PP膜上，將直徑為4cm的涂膜固定在兩個(gè)垂直玻璃管之間。將乳液倒在膜上后，觀察到透明濾過(guò)液，并使用約33分鐘來(lái)完成1Lspan80穩(wěn)定的W/Di乳液的分離。
[0066] 值得注意的是，涂覆的PP膜可以分離所有的乳液即使乳化液滴的尺寸小于涂覆的PP膜的孔徑。這主要是由于分離是基于聚結(jié)分離而不是篩分過(guò)濾的尺寸，其通過(guò)與膜的涂層接觸的液滴的聚結(jié)來(lái)攔截乳化液滴。
[0067] 從經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，分離通量是分離乳液非常重要的參數(shù)。通過(guò)測(cè)量幾乎完全分離一定體積的乳液的時(shí)間來(lái)測(cè)定滲透通過(guò)涂覆的PP膜的各種乳液的通量。如圖8a所示，對(duì)于span80-W/Di，span80-W/G，span80-W/Tr，span80-W/T，span80-W/H獲得1395,885,1332,1011,1026Lm-2h-1的分離通量(表1)。應(yīng)當(dāng)注意的是，整個(gè)分離過(guò)程僅由重力驅(qū)動(dòng)而沒(méi)有任何外力。所獲得的通量與報(bào)告結(jié)果相比是最高的值(表1)，并且是具有相似滲透性能的傳統(tǒng)過(guò)濾膜的幾倍。
[0068] 考慮到僅由重力驅(qū)動(dòng)下分離乳液，與傳統(tǒng)的過(guò)濾膜相比，從節(jié)能的方面來(lái)看，這種分離性能是非常有吸引力的，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的過(guò)濾膜例如超濾膜通常需要一至幾bar的跨膜壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)的乳液分離。一次分離后濾液中的油的純度也用Karl?Fischer分析儀檢測(cè)。如圖8a所示，濾液中的殘留水含量在17-22ppm之間，顯示了f-rGO/OPBA涂覆的PP膜的高分離效率。表明膜可以支撐的液體的最大高度的水穿透壓力是實(shí)際應(yīng)用的重要參數(shù)之一。通過(guò)使用真空泵測(cè)量涂覆的PP膜的突破壓力為約0.2bar。這個(gè)壓力相當(dāng)于2.0米的水柱高度。
[0069] 常規(guī)的超疏水/超親油性油水分離膜不僅具有差的機(jī)械穩(wěn)定性，而且還存在表面污染的缺點(diǎn)。為了測(cè)量膜的循環(huán)性能能，測(cè)量了涂覆的PP膜的分離通量。如圖8b所示，在每次分離乳液后，將膜簡(jiǎn)單地用乙醇洗滌以恢復(fù)其分離通量?？梢钥闯觯吭谇逑春笸耆謴?fù)到啟動(dòng)通量，隨著循環(huán)數(shù)的增加也幾乎沒(méi)有變化。20個(gè)循環(huán)后，通量仍保持1310L?m-2h-1的相對(duì)高水平，殘留含水量保持在16ppm。這表明膜的優(yōu)異的可再循環(huán)性，這對(duì)于實(shí)際應(yīng)用是非常重要的。
[0070] 涂覆PP膜的機(jī)械性能和化學(xué)穩(wěn)定性的測(cè)試。我們將f-rGO/OPBA浸涂的PP膜機(jī)械揉搓1000次后，進(jìn)行油水乳液分離。通過(guò)測(cè)量分離通量和濾液的含水量來(lái)測(cè)定膜的機(jī)械性能和化學(xué)穩(wěn)定性(如圖8c,d)。所有span80穩(wěn)定的油包水乳液分離后的通量未發(fā)現(xiàn)明顯的降低，且濾液的水含量也無(wú)明顯的升高，這表明涂覆膜具有很高的機(jī)械能穩(wěn)定性。此外，當(dāng)將涂覆的膜浸入6M?HCl中24小時(shí)后再進(jìn)行油水乳液分離，分離通量和濾液中的水含量也沒(méi)有變化，表明涂層PP膜在惡劣環(huán)境下仍具有很高的分離效率。更重要的是，我們還通過(guò)使用不同油和6M?HCl，6M?NaOH和飽和NaCl水溶液來(lái)制備乳液。如圖8e和圖8f所示，對(duì)于不同的油包6M?HClaq，6M?NaOHaq和飽和NaClaq來(lái)說(shuō)，分離通量仍然保持在800-1500L?m-2h-1，濾液中的殘留水含量都在18-32ppm范圍內(nèi)，表明涂層PP膜具有很高的分離效率。
[0071] 接下來(lái)，我們使用商業(yè)棉布作為基底以進(jìn)一步證實(shí)f-rGO/OPBA涂層的優(yōu)越性。如圖9所示，f-rGO/OPBA成功地浸涂在棉布的表面上。接觸角測(cè)量顯示涂層棉布的超疏水/超親油性質(zhì)。當(dāng)將f-rGO/OPBA涂布的棉布浸入到腐蝕性溶液(例如pH＝1和13水溶液)中1小時(shí)時(shí)，水接觸角幾乎沒(méi)有變化(圖10a，10b)。此外，通過(guò)將涂布的棉布置于沸水中和進(jìn)行機(jī)械揉搓實(shí)驗(yàn)，來(lái)證明涂層棉布的穩(wěn)定性。水CA測(cè)量的穩(wěn)定性表明f-rGO/OPBA和棉布表面之間存在著很強(qiáng)的粘合力(圖10c，10d)。
[0072] 為了進(jìn)一步證明f-rGO/OPBA涂層的多功能應(yīng)用，f-rGO/OPBA也被浸涂在商業(yè)PU泡沫上進(jìn)行油/水分離。浸泡在f-rGO/OPBA乙醇分散體中后，將整個(gè)PU充滿溶液。在SEM圖像中，可以清楚地看出，在浸涂之后，PU泡沫的表面從光滑表面(圖11a)變?yōu)橛兄鴣單⒚壮叨鹊碾S機(jī)粗糙表面(圖11b)。將未浸涂的PU海綿和涂覆的海綿置于水中，涂層PU泡沫可觀察到類似銀鏡的現(xiàn)象，這是由于涂覆PU海綿包覆空氣與周圍的水之間形成界面而產(chǎn)生鏡面反射(圖11c)。通過(guò)測(cè)試正己烷的油CA和水滴的小滑動(dòng)角度進(jìn)一步表明了f-rGO/OPBA涂覆的PU泡沫的超疏水超親油性(圖11d，e)，這使其成為除去廢水中的油污和有機(jī)溶劑的理想材料。
[0073] 當(dāng)f-rGO/OPBA涂層的PU泡沫與水上的己烷層(用蘇丹紅染色)接觸時(shí)，其能夠完全快速地吸收己烷(圖12a)。此外，涂覆的PU泡沫也可以吸收水下二氯甲烷(用蘇丹紅染色)(圖12b)。吸收能力定量計(jì)算是通過(guò)吸收液體的PU海綿重量與干燥后的PU泡沫的比值來(lái)確定的。我們研究了涂層PU海綿對(duì)各種有機(jī)液體和油類(包括柴油，汽油，乙酸乙酯，二氯甲烷，氯仿，甲苯，花生油和正己烷)的吸收。這些物質(zhì)是我們?nèi)粘Ｉ钪幸约肮I(yè)中常見(jiàn)的污染物。f-rGO/OPBA涂覆的PU泡沫對(duì)所有上述有機(jī)液體和油都顯示出非常高的吸收能力。涂覆的PU泡沫可以吸收其自身重量的30至82倍的油和有機(jī)溶劑(圖12c)。這些值遠(yuǎn)高于先前報(bào)道的吸附劑的吸收能力，如羊毛無(wú)紡布(9-15倍)，聚合物(5-25倍)，納米線膜(4-20倍)，海綿狀石墨烯(20-86倍)以及摻雜硼的CNT海綿(25-125倍)。此外，涂層的PU泡沫的很好的循環(huán)性能。如圖12d中所示，在100次吸收-擠壓循環(huán)后，沒(méi)有觀察到吸收能力的明顯變化，表明f-rGO/OPBA涂覆的PU泡沫體具有穩(wěn)定的吸收和再循環(huán)性能。因此，f-rGO/OPBA涂層PU泡沫是一種有希望成為一種劃算的吸附劑，用于除去污染物。
[0074] 5.結(jié)論
[0075] 總之，通過(guò)簡(jiǎn)單的浸涂方法，使用OPBA作為分子膠粘水將氟接枝的石墨烯黏附到包括商業(yè)PP膜，棉布和PU泡沫上制備出多功能的超疏水超親油材料。且這些材料可以耐受苛刻的實(shí)際條件，如沸水，強(qiáng)酸，強(qiáng)堿和飽和鹽溶液。重要的是，僅在重力下，涂覆的PP膜可以高效地分離表面活性劑穩(wěn)定的油包水乳液，并且有著極高的分離通量。此外，涂覆的PU泡沫體也具有高的吸油能力和可循環(huán)性能。我們?cè)O(shè)想，我們通過(guò)此種方法制備涂層方法可以有效地分離一系列表面活性劑穩(wěn)定的乳液和清理工業(yè)和日常生活中產(chǎn)生的溢油。
[0076] 以上所述僅為本申請(qǐng)的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本申請(qǐng)，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，本申請(qǐng)可以有各種更改和變化。凡在本申請(qǐng)的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本申請(qǐng)的保護(hù)范圍之內(nèi)。
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