用于油/水分离的环保无氟超疏水织物的制备与性能

doi:10.19894/j.issn.1000-0518.210374

摘要/Abstract

摘要：

针对目前用于油/水分离的超疏水材料普遍存在的原料不环保、不可降解、涂层耐久性差等缺点，采用简便的浸渍法，制备了一种环保、工艺简单且性能优良的超疏水材料。首先，使用水性聚氨酯（WPU）将聚甲基丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸缩水甘油酯P（MMA-r-GMA）微球固定在棉织物表面，构造微纳米级粗糙结构。其次，通过水解-缩合反应，将无毒的十六烷基三甲氧基硅烷（HDTMS）与甲基三乙氧基硅烷（MTES）锚定在棉织物表面，制备得到超疏水棉织物。结果表明，改性棉织物接触角最高可达157.3（°），滚动角为5（°）。同时具有很好的耐溶剂性，在酸碱溶液中浸泡30 min后，接触角几乎无变化。油水分离效率最高可达97.8%，即使在经过10次循环分离之后，油水分离效率仍然在95%以上。该超疏水织物具有出色的油水分离效率和优良的稳定性，可用于可持续且环保的油水分离领域。

关键词: 超疏水, 油水分离, 环保, 耐久性

Abstract:

In view of the common drawbacks of superhydrophobic materials used for oil/water separation， such as unenvironmental raw materials， non-degradability and poor coating durability， etc.， a simple and convenient impregnation method was adopted to prepare an environmental-friendly， excellent superhydrophobic material. Firstly， polymethyl methacrylate-co-glycidyl methacrylate P（MMA-r-GMA） polymer microsphere was fixed on the surface of cotton fabric using waterborne polyurethane （WPU） to construct micro-nano rough structure. Secondly， through a hydrolysis-condensation reaction， non-toxic hexadecyltrimethoxysilane （HDTMS） and methyltriethoxysilane （MTES） were anchored on the surface of the cotton fabric to prepare a superhydrophobic cotton fabric. The results show that the contact angle of the modified cotton fabric is up to 157.3（^o） and the rolling angle is 5（^o）. At the same time， it has good solvent resistance， and the contact angle hardly changes after being immersed in an acid-base solution for 3 h. The oil-water separation efficiency can reach up to 97.8%， even after 10 cycles of separation， the oil-water separation efficiency is still above 95%. It can be seen that the super-hydrophobic fabric prepared by this research has excellent oil-water separation efficiency and excellent stability， and can be used in the field of sustainable and environmentally-friendly oil-water separation.

Key words: Super hydrophobic, Oil-water separation, Environmentally-friendly, Durability

中图分类号:

O631

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图/表 10

图1 超疏水棉织物示意图

Fig.1 Schematic diagram of superhydrophobic cotton fabric

图2 聚合物微球P（MMA-r-GMA）的反应原理、MTES和HDTMS在乙醇中的水解反应以及MTES和HDTMS在棉织物表面上发生的缩合反应

Fig.2 The reaction principle of polymer microsphere P（MMA-r-GMA）， the hydrolysis reaction of MTES and HDTMS in ethanol， and the condensation reaction of MTES and HDTMS on the surface of cotton fabric

图3 （A） MMA、GMA与聚合物微球P（MMA-r-GMA）和（B） MTES、HDTMS和HDTMS/MTES乙醇溶液的FT-IR谱图

Fig.3 （A） FT-IR spectra of MMA， GMA and polymer microsphere P（MMA-r-GMA） and （B） the ethanol solution of MTES， HDTMS and HDTMS/MTES

图4 聚合物微球P（MMA-r-GMA）的（A， B）SEM图与（C）粒径分布图

Fig.4 （A， B） SEM images and （C） PSD image of polymer microsphere P（MMA-r-GMA）

图5 棉织物改性前后疏水效果对比图：（A）改性前；（B）改性后；（C）水滴在改性棉织物上的接触角（WCA）；（D）接触角随时间变化曲线

Fig.5 Comparison of hydrophobic effects of cotton before and after modification：（A） Before；（B） After；（C） WCA of the modified cotton；（D） Time-dependent curve of WCA

图6 改性前后棉织物纤维SEM图A.Unmodified cotton fabric fiber； B.Unmodified cotton fabric single fiber； C.Modified cotton fabric fiber； D.Modified cotton fabric single fiber

Fig.6 SEM images of cotton fabric before and after modification

图7 改性棉织物接触角在（A）化学腐蚀和（B）砂纸磨擦条件下的变化曲线

Fig.7 The influence of different failure conditions of （A） chemical corrosion and （B） sandpaper friction on the contact angle of modified cotton fabric

图8 超疏水织物表面上的甲基橙液滴照片：（A）金黄色，（B）橙红色，（C）红色

Fig.8 Photos of methyl orange droplets on the surface of superhydrophobic fabric：（A） golden yellow，（B） orange-red，（C） red

图9 改性棉织物从水中去除氯仿（A-C）和正己烷（D-F）的过程

Fig.9 The process of using modified cotton fabric to remove chloroform （A-C） and n-hexane （D-F） from water

图10 （A-C）改性棉织物油水分离示意图；（D）各种有机化合物的油水分离效率；（E）氯仿分离效率与分离循环次数之间的关系

Fig.10 （A-C） Schematic diagram of oil-water separation of modified cotton fabric；（D） Oil-water separation efficiency of various organic compounds；（E） The relationship between chloroform separation efficiency and the number of separation cycles

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