超疏水/超亲油二氧化硅/聚醚砜复合材料的制备与性能研究

• 作 者: 陈瑞
• 出 处: 吉林大学
• 发表日期: 2020年08期
• 关键词: 超疏水/超亲油 二氧化硅 聚醚砜 油水分离 多功能涂层

超疏水材料由于具有优秀的防腐蚀性、防生物附着性、防冰性、油水分离能力和自清洁能力,因此被广泛应用于多个领域。然而,性能优异的超疏水材料通常需要复杂的制备工艺或污染性的且昂贵的含氟物质。因此,疏水性稳定的且经济环保的超疏水材料引起了各界的关注,其中,聚合物基疏水复合材料被认为是经济适用性和功能性优异的疏水材料。聚醚砜是一种化学稳定性强、机械性能优异、热力学稳定性好、耐腐蚀性强且成膜性强的工程塑料。同时,由于其湿润性转变能力强,经常被用作超疏水/超亲水的功能涂层或分离膜材料。无机微纳米粒子不仅具有良好的分散性,硬度,耐化学腐蚀性,化学稳定性,而且不同的粒度能增强材料的粗糙性能。因此,构建粗糙的微/纳米结构时,将不同尺寸的无机SiO₂粒子和低表面能物质结合体引入体系,不仅会增强表面的疏水性能,而且能赋予基体无机材料的优异的机械性能和耐腐蚀性能。笼型倍半硅氧烷（POSS）是一种有机基团取代无机硅氧骨架的纳米级尺寸粒子,将其引入到聚合物基体中,除了机械性能和热性能外,聚合物体系的疏水性能、抗氧化性能、耐紫外线腐蚀性能、化学稳定性能均被显著增强。本文首先根据仿生荷叶效应原理,通过模版-相分离法和溶胶凝胶法制备了一种多层次微纳米结构的SiO₂复合聚醚砜膜。该膜具有优异的超疏水/超亲油性,同时具有优异的拒水性,WCA高达155°,滚动角小于3°,OCA小于10°,并且在不同pH（1-13）条件下仍能保持超疏水性。复合膜可高效分离常用的含/不含乳化剂稳定的油包水型乳液。分离效率高达99%以上,通量可达2300 m^-22 h^-1bar^-1以上,并且可在15个循环实验后保持高效的分离效果。同时,该膜具有优异的化学稳定性,在25-65℃下能有效分离腐蚀性的1 mol L^-1NaOH,1 mol L^-1 H₂SO₄,和1 mol L^-1NaCl乳液。为获得功能性和适用性强的超疏水材料,本文通过喷涂法制备了多层次结构GPOSS和SiO₂复合聚醚砜涂层。该涂层同样具有良好的超疏水/超亲油性能,WCA高达157.1°,滚动角小于5°,OCA小于10°,同时具有优异的自清洁性能。并且该涂层在腐蚀性较强的溶液（pH=1,13）浸泡32h和紫外线辐照射10h后仍保持良好的超疏水性。将复合涂层涂覆在多孔不锈钢网制备超疏水/超亲油复合网膜,并探究了复合网膜对油水混合体系的纯化效果。研究结果显示仅在重力条件下对油水混合物/油包水型乳液具有优异的分离效果,其中对乳化剂稳定乳液分离效率高达99.2%,通量可达6850 ml h^-1cm^-2,并且在20个循环实验下后保持稳定的分离效果。