基于静电纺丝技术的三维油水分离材料及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及水处理技术领域，尤其涉及基于静电纺丝技术的三维油水分离材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002]石油是人类社会赖以生存发展的重要能源物资，它是推动社会前进的重要动力。然而，在人类开釆、运输、利用和储存石油的过程中，经常会发生一些意外事故，造成漏油事故。由于油污染持续性强、扩散范围广、处置难和危害大，因此不管是在陆地还是海洋一旦发生重大漏油事故都会造成资源的浪费和环境的破坏，所以近年来油水分离材料的研究开发备受关注。油水分离材料不仅能有效回收漏油，既避免了石油能源的浪费，减小了经济损失，而且能够有效保护漏油区域的生态环境，使相应的产业资源和人类生活免遭危害。
[0003]油水分离材料要达到高效分离油水目的，应具备良好的性能，例如疏水性、亲油性、高吸油倍率、高吸油速率、保油时间较长和重复使用性等。
[0004]静电纺丝技术是使带电的高分子溶液(或熔体)在静电场中流动变形，经溶剂蒸发或熔体冷却而固化，从而得到纤维状物质的一种方法。静电纺丝纳米纤维技术可以将多种组分共同集成在同一根纤维中，从而制备复合纳米纤维，可以实现聚合物/聚合物、聚合物/无机物及无机物/无机物复合纤维的制备。静电纺丝纤维膜由于其原料来源广、表面积大、孔隙率高和结构易调控等优点，使其成为油水分离材料的理想选择，在油水分离领域引起广泛的关注。然而由于静电纺丝纤维膜是二维膜结构，因此其吸油倍率低、难于保油和无机械弹性等缺点，限制了其进一步发展。
[0005]结合静电纺丝的优势，尤其是易于调控纳米纤维结构的能力，研发具有超疏水、高吸油率、保油时间长、阻燃效果佳和高弹性的三维立体油水分离材料依然是全世界科学不懈追求的目标。
【发明内容】
[0006]解决目前静电纺丝纤维膜在油水分离应用中，吸油倍率低、难于保油和无机械弹性等缺点，本发明公布了基于静电纺丝技术的三维油水分离材料及其制备方法，该方法易于调控材料的组成和结构，不仅能提高材料的机械强度，而且能使材料表面粗糙化，增强材料的疏水性，在油水分离领域具有巨大应用前期。
[0007]为了达到上述目的，本发明采用的以下步骤:
步骤a)配制静电纺丝液；
步骤b)选择适当的溶剂直接接收静电纺丝纳米纤维，得到纳米纤维溶液；
步骤c)将所述的纳米纤维溶液定型冷冻，然后置于冷冻干燥机中干燥，得到三维纳米纤维；
步骤d)将所述的三维纳米纤维进行预氧化、碳化和活化，得到三维碳纳米纤维；
步骤e)将所述的三维碳纳米纤维胶包覆上一层亲油疏水膜，最终得到三维油水分离材料。
[0008]本发明的优点是:
O以适当的溶剂直接接收静电纺丝纳米纤维，实现了一步法得到分散均一的纳米纤维溶液，且纳米纤维不会断裂，保持良好连续性，有利于提三维油水分离材料性能。
[0009]2)本方法制备的三维油水分离材料，其原料来源广泛，不仅可以是高分子材料，也可以是多种有机/无机复合材料。
[0010]3)本方法制备的三维油水分离材料，其纳米纤维是由于静电纺丝技术制备而成。因此，能将多种组分共同集成在同一根纤维中，从而制备复合纳米纤维，有效地提高三维油水分离材料性能。
[0011]4)本方法制备的三维油水分离材料结构可控(如纤维是否中空，纤维表面粗糙度、纤维直径，比表面积、密度等)，可以足实际应用中的不同需求，制备最佳结构三维油水分离材料。
[0012]5)相比于静电纺丝纤维膜，本方法制备的三维油水分离材料，具有三维立体结构，因此具有更高的吸油率、更长的保油效果、更好的机械弹性和更低的密度，具有更广泛的应用前景。
【附图说明】
[0013]图1为实施例一条件下，所制备的三维油水分离材料光学照片。
[0014]图2为实施例一条件下，所制备的三维油水分离材料扫描电镜图(SBO。
[0015]图3为实施例二件下，所制备的三维油水分离材料扫描电镜图(SBO。
[0016]图4为实施例一件下，所制备的三维油水分离材料水接触角测试照片。
[0017]图5为实施例一件下，所制备的三维油水分离材料对不同溶液吸附能力图。
【具体实施方式】
[0018]现结合附图和【具体实施方式】对本发明进一步说明。
[0019]实施例一:
I)纺丝液的配制:称取2 g的聚丙烯晴(PAN)粉末和0.3 g氧化石墨烯(G0)，加入到含有20 g 二甲基甲酰胺(DMF)溶剂的100 mL锥形瓶中，置于60 °C水浴中加热搅拌至溶解，配置成PAN-GO混合溶液。
[0020]2)纳米纤维的制备:将步骤I)中的电纺丝液置于10 ml注射器中，以盛水的塑料容器作为纳米纤维的接收器收集纳米纤维。纺丝参数为:电压15 kV，喷丝口内径0.6 mm,纺丝液流速0.9 mL/h，喷丝头到接收水面的距离为15 cm，接收时间3 h，环境条件:温度30±5 °C，相对湿度50±5%，接收器来回移动速度0.2 cm/s。
[0021]3)三维纳米纤维的制备:将步骤2中的收集的纳米纤维溶液分散均匀并定型于烧杯中，然后置于-4 °C冰箱中冷冻3 h ;接着将冷冻成型的纳米纤维块置于冷冻干燥机中进行干燥2 d，得到三维纳米纤维。
[0022]4)三维碳纳米纤维的制备:将步骤3中的纳米纤维气凝胶置于280 °C烘箱中，预氧化60 min ;然后在马弗炉里，在N2保护下以，5 °C /min的速率升温至600°C后，保持0.5h ;接着再以5 V /min的速率升温至900 V，在0)2环境下，活化0.5 h ;最终以5 V /min的速率降温到室温，得到三维碳纳米纤维。
[0023]5)三维油水分离材料的制备:将步骤4中的三维碳纳米纤维与聚二甲基硅氧烷薄膜(PMDS) —起放在培养皿中，置于280 °C烘箱中60 min ;然后缓慢降温到室温，得到亲油疏水的PMDS包裹的三维油水分离材料。
[0024]实施例二:
I)纺丝液的配制:称取2 g的聚丙烯晴(PAN)粉末，加入到含有20 g 二甲基甲酰胺(DMF)溶剂的100 mL锥形瓶中，置于60°C水浴中加热搅拌至溶解，配置成PAN混合溶液。
[0025]2)纳米纤维的制备:将步骤I)中的电纺丝液置于10 ml注射器中，以盛水的塑料容器作为纳米纤维的接收器收集纳米纤维。纺丝参数为:电压15 kV，喷丝口内径0.6 mm,纺丝液流速0.9 mL/h，喷丝头到接收水面的距离为15 cm，接收时间3 h，环境条件:温度30±5 °C，相对湿度50±5%，接收器来回移动速度0.1 cm/s。
[0026]3)三维纳米纤维的制备:向步骤2中的收集的纳米纤维溶液加入0.2 g氧化石墨烯和0.2 g多巴胺，反应24 h后，定型于烧杯并置于-4 °C冰箱中冷冻5 h;接着将冷冻成型的纳米纤维块置于冷冻干燥机中进行干燥2 d，得到三维纳米纤维。
[0027]4)三维碳纳米纤维的制备:将步骤3中的纳米纤维气凝胶置于280 °C烘箱中，预氧化60 min ;然后在马弗炉里，在N2保护下以，5 °C /min的速率升温至600