專利名稱：一種超疏水超親油紙基分離材料的制備方法及應用的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及新材料技術領域，具體的說是一種疏水親油紙基分離材料的制備方法及應用。
背景技術：
固體表面與水滴的接觸角測量是評判潤濕性的一個直接物理參數，當接觸角大于 150°時，固體表面被認為是超疏水狀態(tài)。使固體表面具有超疏水性必須同時具備兩個條件(1)有納米-微米級粗糙結構的表面；(2)有較低的表面自由能。這兩個條件使得水滴與固體表面接觸時滿足Cassie模型而形成超疏水表面。超疏水表面具有三個主要的特性 (1)防粘附；(2)防污染；(3)自我清潔。超疏水表面因為有了這些性質，所以在工業(yè)生產、 生活以及生物應用領域應用廣泛。近幾年來，國內外科學家已經通過各種辦法制備出了超疏水表面，如激光/等離子體處理法；相分離法；溶膠-凝膠法；等離子加強氣相沉積法； 化學氣相沉積法；自組裝法等。涉及的基底材料有玻璃，硅，金屬，聚合物等。但以紙為基底材料制備超疏水紙的報道尚不多見。其中Hao. Yang等人(Appl. Surf. Sci. 256 (2010) 4095 - 4102)用溶膠-凝膠法，以正硅酸乙酯和甲基三乙氧基硅烷為前軀體，在金屬網上面制備出了超疏水-超親油表面。但是金屬網造價昂貴，使用后回收成本高，容易造成環(huán)境污染。Wang Suhao 等人(Appl. Mater. Inter. , 2010, 2(3) 677-683)用聚苯乙烯將 14nm 的疏水二氧化硅納米粒子粘附在普通濾紙表面，制備出了超疏水-超親油濾紙，可清除水面漂浮的油污，還能將均相的乙醇-水混合溶液部分分開。但是由于是用聚合物將納米粒子粘附在濾紙表面，所以在某些有機溶液中不穩(wěn)定。低粘度的正己烷、甲苯等溶液能夠很快通過超疏水濾紙，但對于高粘度的油類的分離尚未有報道。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種超疏水超親油紙基分離材料的制備方法，以實現能分離弱極性和高粘度的油水混合物；且制備方法簡單、經濟、環(huán)保。本發(fā)明的技術方案是這樣實現的基底材料濾紙已經具備了微米級的孔隙結構， 只要把溶膠法制備的二氧化硅納米粒子用硅烷化試劑進行改性以降低其表面自由能，再讓改性后的納米粒子在纖維表面形成凝膠，包裹住纖維表面形成納米-微米級復合結構，就能使材料具備超疏水的兩個條件而得到超疏水表面。本發(fā)明包括以下步驟
(1)納米粒子溶膠溶液的制備按現有溶膠凝膠技術制備粒徑為^T34nm的二氧化硅納米粒子溶膠溶液；
(2)納米粒子的改性將以下體積比的組份混合26 34nm的二氧化硅納米粒子溶膠溶液乙醇硅烷化試劑正硅酸乙酯=80 120 30 70 4 6 5 10 ；再滴加 4 8體積的濃鹽酸，室溫攪拌15 20h ；
(3)將濾紙浸泡在改性后的納米粒子溶液中10 20秒，取出自然晾干，即得超疏水親油紙基分離材料。
所述硅烷化試劑是碳鏈長度小于10的硅烷及其衍生物。所述碳鏈長度小于10的硅烷及其衍生物是甲基硅烷及其衍生物；乙基硅烷及其衍生物、丙基硅烷及其衍生物、丁基硅烷及其衍生物、戊硅烷及其衍生物、己基硅烷及其衍生物、庚基硅烷及其衍生物、辛基硅烷及其衍生物、壬基硅烷及其衍生物、癸基硅烷及其衍生物，如三甲基甲氧基硅烷、甲基三甲氧基硅烷、乙基三甲氧基硅烷、丁基三甲氧基硅烷、癸基三甲氧基硅烷、辛基三乙氧基硅烷等。超疏水超親油紙基分離材料的應用可應用于非均相的有機溶劑-水混合物和粘度小于IOOmPa · S的油水混合物的分離。本發(fā)明制備的紙基分離材料，改性后濾紙纖維表面均勻包裹了一層納米粒子， 差熱分析表明，二氧化硅納米粒子在紙上的吸附質量約占紙本身質量的8% 12%。具有多孔性和超疏水超親油的特性，最大靜態(tài)水接觸角為151° ；對不溶于水的有機溶劑和粘度 (IOOmPa · S的植物油水混合物具有良好的透過效果，可用于工業(yè)油水分離和漏油污染治理；耐酸和有機溶劑，可重復多次使用，使用過后的紙可以通過回收或焚燒等方式進行處理，對環(huán)境污染小。


附圖為實施例1將濾紙分別浸泡于正己烷、氯仿和丙酮溶液不同時間的接觸角。
具體實施例方式以下通過具體實施方式
對本發(fā)明做進一步說明。實施例1:
(1)納米粒子的制備按現有技術制備二氧化硅納米粒子，以40mL乙醇為溶劑，以 4. ISmL正硅酸乙酯為前軀體，加入1. 4mL濃氨水制備納米粒子溶膠溶液；
(2)納米粒子的改性按照體積比為納米粒子溶膠溶液乙醇三甲基甲氧基硅烷正硅酸乙酯=10 5 0.5 0.75混合攪拌；滴加0.6體積的濃鹽酸，室溫攪拌15 20h ；
(3)濾紙修飾將改性后的納米粒子溶液倒入器皿中，將濾紙浸泡在溶液中10-20秒， 讓濾紙的空隙浸滿溶膠溶液，取出自然晾干，即得超疏水親油濾紙；
(4)制備出的納米粒子粒徑約為^T34nm，靜態(tài)水接觸角為150°超疏水濾紙的吸油性能測試將少量甲苯倒于水中，甲苯中添加少量蘇丹紅III (一種油溶性染料)對甲苯進行標記，將制備的超疏水濾紙投入水中，3秒后提起，水中甲苯被濾紙全部吸收；
(5)超疏水濾紙油水過濾性能測試對于低粘度油水混合物，將正己烷和水1:1混合， 正己烷中加入少量蘇丹紅III，水中加入少量亞甲基藍作為顏色標記。分別倒在修飾過和未修飾過的濾紙上。經修飾過的濾紙正己烷流過濾紙正己烷全部透過流到燒杯中，水被截留在濾紙上。未經修飾的濾紙，水和正己烷都被濾紙吸收。說明超疏水濾紙能夠通過過濾作用將非均相有機溶劑-水混合物分離；
(6)超疏水濾紙對高粘度油水混合物過濾性能測試將花生調和油(動力粘度65.9 mPa · S)與水1:1混合，加入少量蘇丹紅III標記油相，震蕩2min，溶液變成乳濁液，將乳濁液倒在超疏水濾紙上，靜置一段時間，油全部透過濾紙，水被截留下來，測燒杯中油的水分
4含量為為58. 1 士2. 7ppm,比原食用油中水分66. 5士5. 9ppm略低；
(7)超疏水濾紙耐受有機溶劑測試將濾紙分別浸泡于正己烷、氯仿和丙酮溶液中4小時、12小時后晾干，測量其接觸角。結果如圖1所示。從以上圖中可以看出經不同極性有機溶劑長時間浸泡后超疏水濾紙的接觸角下降很少，仍然具有很強的疏水性。實施例2:
(1)納米粒子溶膠溶液的制備以40mL乙醇為溶劑，以4.ISmL正硅酸乙酯為前軀體， 加入1. 2mL濃氨水制備納米粒子溶膠溶液；
(2)納米粒子的改性按照體積比為納米粒子溶膠溶液乙醇甲基三甲氧基硅烷正硅酸乙酯=10 5 0. 5 0. 75混合攪拌；滴加0. 6體積的濃鹽酸，室溫攪拌15 20h ；
(3)濾紙修飾將改性后的納米粒子溶液倒入器皿中，將濾紙浸泡在溶液中10 20秒， 讓濾紙的空隙浸滿溶膠溶液，取出自然晾干，即得超疏水親油濾紙。實施例3:
(1)納米粒子的制備按現有技術制備二氧化硅納米粒子，以40mL乙醇為溶劑，以 4. ISmL正硅酸乙酯為前軀體，加入1. 6mL濃氨水制備納米粒子溶膠溶液；
(2)納米粒子的改性按照體積比為納米粒子溶膠溶液乙醇乙基三甲氧基硅烷正硅酸乙酯=10 5 0.5 0.75混合攪拌；滴加0.6體積的濃鹽酸，室溫攪拌15 20h ；
(3)濾紙修飾將改性后的納米粒子溶液倒入器皿中，將濾紙浸泡在溶液中10-20秒， 讓濾紙的空隙浸滿溶膠溶液，取出自然晾干，即得超疏水親油濾紙。實施例4:
(1)納米粒子的制備按現有技術制備二氧化硅納米粒子，以40mL乙醇為溶劑，以 4. ISmL正硅酸乙酯為前軀體，加入1.4mL濃氨水制備納米粒子溶膠溶液；
(2)納米粒子的改性按照體積比為納米粒子溶膠溶液乙醇丁基三甲氧基硅烷正硅酸乙酯=10 5 0.5 0.75混合攪拌；滴加0.6體積的濃鹽酸，室溫攪拌15 20h ；
(3)濾紙修飾將改性后的納米粒子溶液倒入器皿中，將濾紙浸泡在溶液中10-20秒， 讓濾紙的空隙浸滿溶膠溶液，取出自然晾干，即得超疏水親油濾紙。實施例5:
(1)納米粒子的制備按現有技術制備二氧化硅納米粒子，以40mL乙醇為溶劑，以 4. ISmL正硅酸乙酯為前軀體，加入1.4mL濃氨水制備納米粒子溶膠溶液；
(2)納米粒子的改性按照體積比為納米粒子溶膠溶液乙醇癸基三甲氧基硅烷正硅酸乙酯=10 5 0.5 0.75混合攪拌；滴加0.6體積的濃鹽酸，室溫攪拌15 20h ；
(3)濾紙修飾將改性后的納米粒子溶液倒入器皿中，將濾紙浸泡在溶液中10-20秒， 讓濾紙的空隙浸滿溶膠溶液，取出自然晾干，即得超疏水親油濾紙。實施例6:
(1)納米粒子的制備按現有技術制備二氧化硅納米粒子，以40mL乙醇為溶劑，以4. ISmL正硅酸乙酯為前軀體，加入1. 4mL濃氨水制備納米粒子溶膠溶液；
(2)納米粒子的改性按照體積比為納米粒子溶膠溶液乙醇辛基三乙氧基硅烷正硅酸乙酯=10 5 0.5 0.75混合攪拌；滴加0.6體積的濃鹽酸，室溫攪拌15 20h ；
(3)濾紙修飾將改性后的納米粒子溶液倒入器皿中，將濾紙浸泡在溶液中10-20秒， 讓濾紙的空隙浸滿溶膠溶液，取出自然晾干，即得超疏水親油濾紙。 實施例7:
(1)納米粒子的制備按現有技術制備二氧化硅納米粒子，以40mL乙醇為溶劑，以 4. ISmL正硅酸乙酯為前軀體，加入1.4mL濃氨水制備納米粒子溶膠溶液；
(2)納米粒子的改性按照體積比為納米粒子溶膠溶液乙醇癸基三甲氧基硅烷正硅酸乙酯=10 5 0.5 0.75混合攪拌；滴加0.6體積的濃鹽酸，室溫攪拌15 20h ；
(3)濾紙修飾將改性后的納米粒子溶液倒入器皿中，將濾紙浸泡在溶液中10-20秒， 讓濾紙的空隙浸滿溶膠溶液，取出自然晾干，即得超疏水親油濾紙。
權利要求
1.一種超疏水超親油紙基分離材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟(1)納米粒子溶膠溶液的制備按現有溶膠凝膠技術制備粒徑為^T34nm的二氧化硅納米粒子溶膠溶液；(2)納米粒子的改性將以下體積比的組混合26 34nm的二氧化硅納米粒子溶膠溶液乙醇硅烷化試劑正硅酸乙酯=80 120 30 70 4 6 5 10 ；再滴加 4 8體積的濃鹽酸，室溫攪拌15 20h ；(3)將濾紙浸泡在改性后的納米粒子溶液中10 20秒，取出自然晾干，即得超疏水親油紙基分離材料。
2.根據權利要求1所述的超疏水超親油紙基分離材料的制備方法，其特征在于，所述硅烷化試劑是碳鏈長度小于10的硅烷及其衍生物；如乙基硅烷及其衍生物、丙基硅烷及其衍生物、丁基硅烷及其衍生物、戊硅烷及其衍生物、己基硅烷及其衍生物、庚基硅烷及其衍生物、辛基硅烷及其衍生物、壬基硅烷及其衍生物、癸基硅烷及其衍生物。
3.根據權利要求2所述的超疏水超親油紙基分離材料的制備方法，其特征在于，所述硅烷化試劑是三甲基甲氧基硅烷、甲基三甲氧基硅烷、乙基三甲氧基硅烷、丁基三甲氧基硅烷、癸基三甲氧基硅烷、辛基三乙氧基硅烷。
4.超疏水超親油紙基分離材料的應用，其特征在于，應用于非均相的有機溶劑-水混合物和粘度小于IOOmPa · S的油水混合物的分離。
全文摘要
一種超疏水超親油紙基分離材料的制備方法及應用。包括(1)按現有技術制備粒徑為24～36nm的二氧化硅納米粒子溶膠溶液；(2)用硅烷化試劑對其進行改性；(3)將濾紙浸泡在改性后的納米粒子溶液中10～20秒，取出自然晾干，即得超疏水親油紙基分離材料。該分離材料表面仍具有微米級的孔隙，與水的接觸角大于150°超疏水性能良好，耐酸和有機溶劑，可重復多次使用，能吸除水面漂浮的油污，對油水混合物特別是高粘度的油-水乳濁液有很好的分離效果，在工業(yè)油水分離、水體油污清理等方面有著廣泛的應用前景；本方法制備工藝簡單，對設備要求低，制備條件不受地域限制，易于實現大規(guī)模工業(yè)生產。
文檔編號B01D17/022GK102225273SQ201110106510
公開日2011年10月26日 申請日期2011年4月27日 優(yōu)先權日2011年4月27日
發(fā)明者周聰, 陳波 申請人:湖南師范大學