超疏水海绵的制备及油水分离性能研究
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第１７卷 第２期 ２０１８ 年 ３ 月
杭 州 师 范 大 学 学 报 （自 然 科 学 版 ）
ＪｏｕｒｎａｌｏｆＨａｎｇｚｈｏｕＮｏｒｍａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ）
犱狅犻：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７４２３２Ｘ．２０１８．０２．００２
Ｖｏｌ．１７ Ｎｏ．２ Ｍａｒ．２０１８
收 稿 日 期 ：２０１７１０１８ 基 金 项 目 ：浙 江 省 科 技 厅 公 益 技 术 研 究 工 业 项 目 （２０１６Ｃ３１０２０，ＬＧＧ１８Ｅ０３０００７）；高 层 次 留 学 回 国 人 员 （团 队 ）在 杭 创 业 创 新 资 助 项 目 ． 通 信 作 者 ：裴 勇 兵 （１９８１— ），男 ，助 理 研 究 员 ，博 士 ，主 要 从 事 硅 树 脂 复 合 材 料 研 究 ．Ｅｍａｉｌ：ｐｅｉｙｏｎｇｂｉｎｇ＠ｈｚｎｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
１ 实验部分
１．１ 实 验 原 料 正硅酸乙酯（ＴＥＯＳ）、三 氯 化 铁 六 水 合 物、氯 化 亚 铁 四 水 合 物，分 析 纯，阿 拉 丁 化 学 试 剂 有 限 公 司；
γ（甲基丙烯酰氧）丙基三甲氧基硅烷（ＭＰＳ），分析纯，国 药 集 团 化 学 试 剂 有 限 公 司；氨 水，２５％ 质 量 分 数， 国药集团化学试 剂 有 限 公 司；Ｄｏｗ Ｃｏｒｎｉｎｇ１８４ 硅 橡 胶 （ＤＣ１８４），美 国 道 康 宁 公 司；ＰＵ 海 绵，密 度 为 ０．０２４ｇ·ｃｍ３ ，杭 州 广 盛 海 绵 塑 料 公 司 ． １．２ 犉犲３犗４＠犛犻犗２犕犘犛 颗 粒 的 制 备
超疏水海绵的制备及油水分离性能研究
刘 春，方袁烽，苗笑梅，裴勇兵，吴连斌，蒋剑雄
（杭州师范大学有机硅化学及材料技术教育部重点实验室，浙江 杭州 ３１１１２１）
摘 要：采用硅烷偶联剂将 Ｆｅ３Ｏ４＠ＳｉＯ２ 纳米粒子进行表面功能化处理后在聚二甲基硅氧烷（ＰＤＭＳ）溶 液 中均匀分散，将聚氨酯海绵在混合溶液中充分浸润后取 出，干 燥 固 化 后 制 得 了 超 疏 水 海 绵．通 过 红 外 光 谱、透 射 电镜、扫描电镜、水接触角分析仪等对功能化 Ｆｅ３Ｏ４＠ＳｉＯ２ 纳米粒子和海绵的疏水性能进行表征和 测 试，发 现 海 绵疏水性能随着 Ｆｅ３Ｏ４＠ＳｉＯ２ 粒 子 含 量 增 加 而 逐 渐 增 加，当 粒 子 含 量 增 加 至 ５０％ 时，海 绵 的 水 接 触 角 达 到 １５４°，具有超疏水性，它对不同油和溶剂具有良好 的 吸 附 能 力，可 以 用 于 油 水 混 合 物 的 分 离，并 具 有 良 好 的 循 环 使用性能．
关 键 词 ：超 疏 水 ；海 绵 ；油 水 分 离 ；循 环 中图分类号：ＴＱ３２８．３ 文献标志码：Ａ 文 章 编 号 ：１６７４２３２Ｘ（２０１８）０２０１１８０６
０ 引言
石油等化学品的储存 和 运 输 过 程 发 生 的 泄 漏 事 故 日 益 频 繁，对 生 态 环 境 造 成 了 严 重 的 损 害．例 如， ２０１０年墨西哥湾原油泄漏事故导致２．１ 亿 加 仑 原 油 进 入 海 洋，造 成 大 面 积 海 域 严 重 污 染．开 发 油 水 分 离 吸附材料对油性液体进行高效吸附和快速分离，是处理这类事故的一种有效途径［１４］．传统的吸附材 料（如 沸石、活性炭等）在吸油的同时也吸水，油水分离选择性差、效率低［５］．相比较而言，超疏水多孔材料具 有 高 孔 隙 率 、大 比 表 面 积 ，可 提 供 存 储 油 品 的 空 间 ，有 利 于 油 性 液 体 的 高 效 吸 附 和 回 收 ，在 油 水 分 离 领 域 具 有 明 显的优势 ．商 ［４，６７］ 业化聚氨酯（ＰＵ）海绵具有价格低廉、高 弹 性、可 规 模 化 生 产 等 优 点，是 理 想 的 油 水 分 离 材料．近 几 年 来，研 究 人 员 采 用 不 同 的 纳 米 材 料 如 ＳｉＯ２［６，８］、银 颗 粒［９］、碳 质 纤 维［１０］、碳 管 、石 ［１１１２］ 墨 烯［１３１４］、烟草灰 和 ［７，１５］ Ｆｅ３Ｏ４［１６１８］制 备 超 疏 水 海 绵 材 料．例 如，将 Ｆｅ３Ｏ４ 负 载 在 海 绵 表 面 后 引 入 疏 水 基 团［１９］，或将 Ｆｅ３Ｏ４ 用硬脂酸修饰后在海绵 表 面 负 载［２０］，均 可 制 得 超 疏 水 海 绵．但 这 种 方 法 主 要 通 过 范 德 华力使 Ｆｅ３Ｏ４ 与海绵相互作用，两者间作用力较弱，海绵 循 环 使 用 性 能 差，受 到 压 缩 和 摩 擦 等 外 力 作 用 粒 子易脱落［２１］．因此，如何保持 Ｆｅ３Ｏ４ 粒 子 与 海 绵 紧 密 结 合，是 油 水 分 离 材 料 循 环 使 用 需 要 解 决 的 关 键 问 题．有报道利用有多亲性质的多巴胺 能 增 强 Ｆｅ３Ｏ４ 粒 子 与 海 绵 间 的 粘 结 作 用 ，它 ［２２２４］ 特 殊 的 分 子 结 构 能 将无机粒子紧密固定在海绵骨架结构表面，但这种方 法 过程 比较复杂，不利 于 大 规 模 化 制 备．本 研 究 开 发
第２期
刘 春 ，等 ：超 疏 水 海 绵 的 制 备 及 油 水 分 离 性 能 研 究
１１９Βιβλιοθήκη Baidu
了一种简单制备超疏水海绵材料的方法，将 Ｆｅ３Ｏ４ 粒 子 表 面 处 理 后 在 聚 二 甲 基 硅 氧 烷 （ＰＤＭＳ）中 均 匀 分 散，将 ＰＵ 海绵在溶液中浸润干燥，通过纳米粒子在海 绵 骨 架 表 面 构 建 微 纳 粗 糙 结 构 赋 予 海 绵 超 疏 水 性， 达到油水分离功能，ＰＤＭＳ能促进 Ｆｅ３Ｏ４ 与海绵骨架的紧密结合，达到多次循环使用目的．
将０．０９ｍｏｌＦｅＣｌ３·６Ｈ２Ｏ、０．０４５ｍｏｌＦｅＣｌ２·４Ｈ２Ｏ 和１００ｍＬ 去离子 水 加 入 三 口 圆 底 烧 瓶 中，通 氮 气３０ｍｉｎ后，将２０ｍＬ 氨水逐滴滴加，将 水 浴 温 度 升 至 ８２ ℃，缓 慢 加 入 一 定 量 ＴＥＯＳ，滴 加 完 毕 后 反 应 １２ｈ，再将１２ｍＬ ＭＰＳ在 ３０ ｍｉｎ内加入烧瓶中搅拌 ４ｈ，用磁铁将颗粒进行分离并采用去离子水和无水 乙醇交替洗涤６ 次后，放入６０ ℃真空干燥箱中干燥得到 Ｆｅ３Ｏ４＠ＳｉＯ２ＭＰＳ粒子． １．３ 超疏水 犘犝 海绵的制备
杭 州 师 范 大 学 学 报 （自 然 科 学 版 ）
ＪｏｕｒｎａｌｏｆＨａｎｇｚｈｏｕＮｏｒｍａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ）
犱狅犻：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７４２３２Ｘ．２０１８．０２．００２
Ｖｏｌ．１７ Ｎｏ．２ Ｍａｒ．２０１８
收 稿 日 期 ：２０１７１０１８ 基 金 项 目 ：浙 江 省 科 技 厅 公 益 技 术 研 究 工 业 项 目 （２０１６Ｃ３１０２０，ＬＧＧ１８Ｅ０３０００７）；高 层 次 留 学 回 国 人 员 （团 队 ）在 杭 创 业 创 新 资 助 项 目 ． 通 信 作 者 ：裴 勇 兵 （１９８１— ），男 ，助 理 研 究 员 ，博 士 ，主 要 从 事 硅 树 脂 复 合 材 料 研 究 ．Ｅｍａｉｌ：ｐｅｉｙｏｎｇｂｉｎｇ＠ｈｚｎｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
１ 实验部分
１．１ 实 验 原 料 正硅酸乙酯（ＴＥＯＳ）、三 氯 化 铁 六 水 合 物、氯 化 亚 铁 四 水 合 物，分 析 纯，阿 拉 丁 化 学 试 剂 有 限 公 司；
γ（甲基丙烯酰氧）丙基三甲氧基硅烷（ＭＰＳ），分析纯，国 药 集 团 化 学 试 剂 有 限 公 司；氨 水，２５％ 质 量 分 数， 国药集团化学试 剂 有 限 公 司；Ｄｏｗ Ｃｏｒｎｉｎｇ１８４ 硅 橡 胶 （ＤＣ１８４），美 国 道 康 宁 公 司；ＰＵ 海 绵，密 度 为 ０．０２４ｇ·ｃｍ３ ，杭 州 广 盛 海 绵 塑 料 公 司 ． １．２ 犉犲３犗４＠犛犻犗２犕犘犛 颗 粒 的 制 备
超疏水海绵的制备及油水分离性能研究
刘 春，方袁烽，苗笑梅，裴勇兵，吴连斌，蒋剑雄
（杭州师范大学有机硅化学及材料技术教育部重点实验室，浙江 杭州 ３１１１２１）
摘 要：采用硅烷偶联剂将 Ｆｅ３Ｏ４＠ＳｉＯ２ 纳米粒子进行表面功能化处理后在聚二甲基硅氧烷（ＰＤＭＳ）溶 液 中均匀分散，将聚氨酯海绵在混合溶液中充分浸润后取 出，干 燥 固 化 后 制 得 了 超 疏 水 海 绵．通 过 红 外 光 谱、透 射 电镜、扫描电镜、水接触角分析仪等对功能化 Ｆｅ３Ｏ４＠ＳｉＯ２ 纳米粒子和海绵的疏水性能进行表征和 测 试，发 现 海 绵疏水性能随着 Ｆｅ３Ｏ４＠ＳｉＯ２ 粒 子 含 量 增 加 而 逐 渐 增 加，当 粒 子 含 量 增 加 至 ５０％ 时，海 绵 的 水 接 触 角 达 到 １５４°，具有超疏水性，它对不同油和溶剂具有良好 的 吸 附 能 力，可 以 用 于 油 水 混 合 物 的 分 离，并 具 有 良 好 的 循 环 使用性能．
关 键 词 ：超 疏 水 ；海 绵 ；油 水 分 离 ；循 环 中图分类号：ＴＱ３２８．３ 文献标志码：Ａ 文 章 编 号 ：１６７４２３２Ｘ（２０１８）０２０１１８０６
０ 引言
石油等化学品的储存 和 运 输 过 程 发 生 的 泄 漏 事 故 日 益 频 繁，对 生 态 环 境 造 成 了 严 重 的 损 害．例 如， ２０１０年墨西哥湾原油泄漏事故导致２．１ 亿 加 仑 原 油 进 入 海 洋，造 成 大 面 积 海 域 严 重 污 染．开 发 油 水 分 离 吸附材料对油性液体进行高效吸附和快速分离，是处理这类事故的一种有效途径［１４］．传统的吸附材 料（如 沸石、活性炭等）在吸油的同时也吸水，油水分离选择性差、效率低［５］．相比较而言，超疏水多孔材料具 有 高 孔 隙 率 、大 比 表 面 积 ，可 提 供 存 储 油 品 的 空 间 ，有 利 于 油 性 液 体 的 高 效 吸 附 和 回 收 ，在 油 水 分 离 领 域 具 有 明 显的优势 ．商 ［４，６７］ 业化聚氨酯（ＰＵ）海绵具有价格低廉、高 弹 性、可 规 模 化 生 产 等 优 点，是 理 想 的 油 水 分 离 材料．近 几 年 来，研 究 人 员 采 用 不 同 的 纳 米 材 料 如 ＳｉＯ２［６，８］、银 颗 粒［９］、碳 质 纤 维［１０］、碳 管 、石 ［１１１２］ 墨 烯［１３１４］、烟草灰 和 ［７，１５］ Ｆｅ３Ｏ４［１６１８］制 备 超 疏 水 海 绵 材 料．例 如，将 Ｆｅ３Ｏ４ 负 载 在 海 绵 表 面 后 引 入 疏 水 基 团［１９］，或将 Ｆｅ３Ｏ４ 用硬脂酸修饰后在海绵 表 面 负 载［２０］，均 可 制 得 超 疏 水 海 绵．但 这 种 方 法 主 要 通 过 范 德 华力使 Ｆｅ３Ｏ４ 与海绵相互作用，两者间作用力较弱，海绵 循 环 使 用 性 能 差，受 到 压 缩 和 摩 擦 等 外 力 作 用 粒 子易脱落［２１］．因此，如何保持 Ｆｅ３Ｏ４ 粒 子 与 海 绵 紧 密 结 合，是 油 水 分 离 材 料 循 环 使 用 需 要 解 决 的 关 键 问 题．有报道利用有多亲性质的多巴胺 能 增 强 Ｆｅ３Ｏ４ 粒 子 与 海 绵 间 的 粘 结 作 用 ，它 ［２２２４］ 特 殊 的 分 子 结 构 能 将无机粒子紧密固定在海绵骨架结构表面，但这种方 法 过程 比较复杂，不利 于 大 规 模 化 制 备．本 研 究 开 发
第２期
刘 春 ，等 ：超 疏 水 海 绵 的 制 备 及 油 水 分 离 性 能 研 究
１１９Βιβλιοθήκη Baidu
了一种简单制备超疏水海绵材料的方法，将 Ｆｅ３Ｏ４ 粒 子 表 面 处 理 后 在 聚 二 甲 基 硅 氧 烷 （ＰＤＭＳ）中 均 匀 分 散，将 ＰＵ 海绵在溶液中浸润干燥，通过纳米粒子在海 绵 骨 架 表 面 构 建 微 纳 粗 糙 结 构 赋 予 海 绵 超 疏 水 性， 达到油水分离功能，ＰＤＭＳ能促进 Ｆｅ３Ｏ４ 与海绵骨架的紧密结合，达到多次循环使用目的．
将０．０９ｍｏｌＦｅＣｌ３·６Ｈ２Ｏ、０．０４５ｍｏｌＦｅＣｌ２·４Ｈ２Ｏ 和１００ｍＬ 去离子 水 加 入 三 口 圆 底 烧 瓶 中，通 氮 气３０ｍｉｎ后，将２０ｍＬ 氨水逐滴滴加，将 水 浴 温 度 升 至 ８２ ℃，缓 慢 加 入 一 定 量 ＴＥＯＳ，滴 加 完 毕 后 反 应 １２ｈ，再将１２ｍＬ ＭＰＳ在 ３０ ｍｉｎ内加入烧瓶中搅拌 ４ｈ，用磁铁将颗粒进行分离并采用去离子水和无水 乙醇交替洗涤６ 次后，放入６０ ℃真空干燥箱中干燥得到 Ｆｅ３Ｏ４＠ＳｉＯ２ＭＰＳ粒子． １．３ 超疏水 犘犝 海绵的制备