濕度響應(yīng)性超親水超疏油油水分離膜及其制備方法和應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于油水分離膜制備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種濕度響應(yīng)性超親水超疏油油水分離膜及其制備方法和應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]雙親物質(zhì)的出現(xiàn)和發(fā)展為人類的生活帶來了極大的便利，表面活性劑在生活的方方面面都在起著重大的作用。將親水基團和疏油基團接枝于同一個聚合物中，形成親水疏油的雙親聚合物近年來成為了研究的熱點。雙親聚合物的發(fā)展對特殊浸潤性材料的制備起到了巨大的推動作用，將親水基團與疏油基團同時排布在聚合物鏈段中時，可以得到親水疏油的雙親聚合物。以此類聚合物成膜時，兩種不同浸潤性的基團會在不同的外界環(huán)境下在膜的表面進行自組裝，從而以不同的形式存在，可以達到極好的親水性和耐油污染性能。
[0003]荷葉之所以具有自清潔效果，是因為荷葉的表面附著無數(shù)個微米級的蠟質(zhì)乳突結(jié)構(gòu)。用電子顯微鏡觀察這些乳突時，可以看到在每個微米級乳突的表面又附著著許許多多與其結(jié)構(gòu)相似的納米級顆粒，科學(xué)家將其稱為荷葉的微米一納米雙重結(jié)構(gòu)。正是具有這些微小的雙重結(jié)構(gòu)，使荷葉表面與水珠或塵埃的接觸面積非常有限，因此便產(chǎn)生了水珠在葉面上滾動并能帶走灰塵的現(xiàn)象，而且水不留在荷葉表面。
[0004]結(jié)合上述兩種思想，將其應(yīng)用于超親水膜材料的制備中，以親水疏油物質(zhì)在基材表面構(gòu)筑微納粗糙結(jié)構(gòu)的包覆層，則可以制備得到一種自清潔耐污染的濕度響應(yīng)性超親水超疏油油水分離膜，是一種新型的油水分離膜材料。
[0005]公開號為CN103601826A的中國發(fā)明專利公開了一種親水疏油聚合物的合成和濕度響應(yīng)油水分離膜的制備，雖然這種網(wǎng)膜也具有在空氣中在水的刺激下由超疏水轉(zhuǎn)換為超親水的性質(zhì)和油水分離效果，但是這種膜的制備所需要的親水疏油聚合物的制備比較困難。美國文獻(Arun K.Kota, Gibum Kwon, ffonjae Choi, etal.Hygro-responsive membranes for effective oi1-water separat1n[J].NatureCommunicat1ns, 2012，1-7)也報道了一種濕度響應(yīng)性超親水超疏油油水分離膜的制備，但是制備過程中要用到氟化聚有機倍半硅氧烷(POSS)，制備工藝復(fù)雜，產(chǎn)率低，價格十分昂蟲貝ο

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點與不足，本發(fā)明的首要目的在于提供一種濕度響應(yīng)性超親水超疏油油水分離膜，其具有在空氣中在水的刺激下由超疏水轉(zhuǎn)換為超親水，始終保持超疏油性質(zhì)的特性。該油水分離膜具有納米與微米復(fù)合的特殊結(jié)構(gòu)，微米尺度的膜孔，微米厚度的有機-無機摻雜包覆層和包覆層上納米尺度的突起結(jié)構(gòu)，使其在空氣中水的刺激下，對水的接觸角在一定時間內(nèi)由150°以上減小為0°左右，而無論在水下還是空氣中都具有超疏油性質(zhì)。
[0007]本發(fā)明另一目的在于提供一種上述濕度響應(yīng)性超親水超疏油油水分離膜的制備方法。本發(fā)明通過以織物絲網(wǎng)作為基材，采用浸涂或噴涂的方法在上面包覆有微米厚度的摻雜有無機納米粒子的聚合物包覆層，同時在包覆層上得到具有納米尺度的突起，從而得到濕度響應(yīng)性超親水超疏油油水分離膜。
[0008]本發(fā)明再一目的在于提供上述濕度響應(yīng)性超親水超疏油油水分離膜在含油污水處理和油水分離中的應(yīng)用。
[0009]本發(fā)明的目的通過下述方案實現(xiàn):
[0010]—種濕度響應(yīng)性超親水超疏油油水分離膜，由包括以下步驟的方法制備得到:
[0011](I)納米粒子的制備:以四甲氧(乙氧)基硅烷和四甲氧(乙氧)基鈦中的至少一種為原料，恒溫水浴中，與醇水共溶劑按質(zhì)量比1:1?1:5混合均勻，加入催化劑，保溫反應(yīng)，得到納米溶膠；
[0012](2)疏油改性納米粒子制備:將氟烷基硅氧烷溶液與步驟(I)中納米溶膠混合，恒溫反應(yīng)，得到疏油改性納米溶膠；
[0013](3)親水涂料的制備:所述親水涂料可為熱固化親水涂料或UV固化親水涂料；
[0014]熱固化親水涂料的制備:將親水聚合物水敏劑與交聯(lián)劑混合，得到熱固化親水涂料；
[0015]UV固化親水涂料的制備:將單官能UV固化低聚物、雙官能UV固化低聚物、多官能UV固化低聚物、光引發(fā)劑和乳化劑混合分散均勻，得到UV固化水性涂料；
[0016](4)雜化親水涂料的制備:將步驟(2)的疏油改性納米溶膠和步驟(3)的親水涂料混合均勻，得到雜化親水涂料；
[0017](5)防腐底涂網(wǎng)膜制備:采用浸涂或噴涂法將UV固化水性防腐涂料涂覆于絲網(wǎng)表面，烘干后，紫外固化，得到防腐底涂網(wǎng)膜；
[0018](6)濕度響應(yīng)性超親水超疏油油水分離膜的制備:采用浸涂或噴涂法將步驟(4)的雜化親水涂料涂覆于步驟(5)所得防腐底涂網(wǎng)膜表面，烘干，熱固化或UV固化，得到濕度響應(yīng)性超親水超疏油油水分離膜。
[0019]步驟(I)中所述的醇水共溶劑指由醇類物質(zhì)和水混合得到的共溶劑。
[0020]所述的醇水共溶劑中醇類物質(zhì)和水的質(zhì)量比優(yōu)選為1:5?5:1。
[0021]所述醇類物質(zhì)可為乙醇、丙醇、異丙醇、正丁醇、仲丁醇和異丁醇中的至少一種。
[0022]所述催化劑可為鹽酸、硝酸、硼酸、硫酸、氨水、碳酸氫鈉或氫氧化鈉。
[0023]所述恒溫水浴的溫度優(yōu)選為20?80°C。
[0024]所述保溫反應(yīng)的條件優(yōu)選為20?80°C下反應(yīng)4?5h。
[0025]所述混合均勾優(yōu)選為攪拌5?1min使其混合均勾。
[0026]優(yōu)選地，所述納米溶膠中的納米粒子粒徑控制在20?500nm，納米粒子質(zhì)量含量為20?35%。
[0027]步驟(2)中所述氟烷基硅氧烷為十三氟辛基三甲氧(乙氧)基硅烷、十五氟壬基三甲氧(乙氧)基硅烷、十七氟癸基三甲氧(乙氧)基硅烷和全氟辛磺酰氨丙基三甲氧(乙氧)基硅烷中的至少一種。
[0028]所用氟烷基硅氧烷與步驟(I)的四甲氧(乙氧)基硅烷和四甲氧(乙氧)基鈦的總摩爾優(yōu)選為1:3?3:1。
[0029]所述的恒溫反應(yīng)優(yōu)選為在20?80°C反應(yīng)4?5h。
[0030]所述氟烷基硅氧烷溶液的濃度優(yōu)選為I?10wt% ;其溶劑優(yōu)選為異丙醇或四氫呋喃。
[0031]步驟(3)熱固化親水涂料的制備中:
[0032]所用親水聚合物水敏劑和交聯(lián)的比例可為任意比例。優(yōu)選為質(zhì)量比1:9?9:1 ;所述熱固化親水涂料固含量為I?99%。
[0033]所述的親水聚合物水敏劑可為聚乙烯醇、聚乙二醇、聚氧化乙烯、二烯丙基季銨鹽聚合物、聚馬來酸、聚天冬氨酸、聚環(huán)氧琥珀酸、羧甲基纖維素、羧乙基纖維素、黃原膠和植物膠中的至少一種。
[0034]所述的交聯(lián)劑可為聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸、聚丙烯酸-丙烯酸酯共聚物、聚甲基丙烯酸-丙烯酸酯共聚物、羥基丙烯酸樹脂、氨基樹脂和聚氨酯丙烯酸酯中的至少一種。
[0035]所述混合均勻優(yōu)選通過磁力攪拌分散均勻。
[0036]步驟(3)UV固化親水涂料的制備中:
[0037]所用單官能UV固化低聚物、雙官能UV固化低聚物、多官能UV固化低聚物、光引發(fā)劑和乳化劑的質(zhì)量比優(yōu)選為(10?50): (60?80): (10?20): (I?5): (I?5)。
[0038]所述混合分散均勻優(yōu)選為在1000?2000r/min下分散10?20min。
[0039]所述的單官能UV固化低聚物為甲氧基聚乙二醇丙烯酸酯和甲氧基聚乙二醇甲基丙烯酸酯中的至少一種。
[0040]所述的雙官能UV固化低聚物為聚醚丙烯酸酯類低聚物、水性丙烯酸酯類低聚物、水性聚氨酯丙烯酸酯類低聚物和水性環(huán)氧丙烯酸酯類低聚物中的至少一種。
[0041]所述的多官能UV固化低聚物優(yōu)選為乙氧化三羥甲基丙烷三丙烯酸酯。
[0042]所述的光引發(fā)劑可為水性光引發(fā)劑Darocur 2959、Esacure KIP 150、Irgacure819DW、QTX、BTC、BPQ、WB-4784、WB-4785、WB-4789 和 WB-4792 中的至少一種。
[0043]所述的乳化劑優(yōu)選為十二烷基苯磺酸鈉。
[0044]步驟⑷中所用疏油改性納米溶膠和親水涂料的比例可為任意比例。優(yōu)選為質(zhì)量比1:9?9:1 ;所述親水涂料固含量為I?99%。
[0045]所述混合均勻優(yōu)選通過超聲分散均勻。
[0046]所述超聲分散的超聲頻率為20?40KHz，功率范圍為300?500W。
[0047]步驟(5)中所述UV固化水性防腐涂料為UV固化水性聚氨酯丙烯酸酯涂料、UV固化水性環(huán)氧丙烯酸涂料和UV固化聚氨酯環(huán)氧丙烯酸酯涂料中的至少一種；固含量優(yōu)選為5 ?10%。
[0048]所述烘干優(yōu)選在80?120 °C烘干。
[0049]所述紫外固化的時間優(yōu)選為3?5min。
[0050]所述絲網(wǎng)優(yōu)選為100?300目的織物絲網(wǎng)，更優(yōu)選使用前經(jīng)超聲清洗、常溫晾干。[0051 ] 優(yōu)選地，所述的絲網(wǎng)可為不銹鋼絲網(wǎng)、銅絲網(wǎng)、鋁絲網(wǎng)、尼龍絲網(wǎng)、維綸絲網(wǎng)、芳綸絲網(wǎng)、滌綸絲網(wǎng)或睛綸纖維織物網(wǎng)。
[0052]優(yōu)選地，所述超聲清洗的超聲頻率為20?40KHz，功率范圍為100?150W。
[0053]優(yōu)選地，所述超聲清洗為先用清水超聲清洗干凈，然后用無水乙醇或丙酮超聲清洗，再用蒸餾水超聲清洗干凈。
[0054]優(yōu)選地，所述紫外固化的UV光波長為245?405nm。
[0055]步驟(6)所述烘干和熱固化溫度優(yōu)選在100?200°