面向油水分离可切换表面润湿性能的涂层及其制备方法与流程

本发明涉及油水分离
技术领域：
，具体涉及一种面向油水分离可切换表面润湿性能的涂层及其制备方法。
背景技术：
：随着世界工业化的快速发展，石油化工、食品、纺织、金属加工等行业均排放出大量含油废水，国际上频繁发生的溢油事件也对沿海陆地和海洋环境造成污染，严重危害了自然环境和人类生存。常规的油水分离技术包括重力分离、离心分离、超声分离、气浮法、电场法、凝聚法、化学吸附法、生物降解法和膜分离技术等。而膜分离技术因具备低能耗、易操作、分离效果好等优点，受到研究人员的广泛关注。huiliu(chemicalengineeringjournal,2017,doi:10.1016/j.cej.2017.07.114)在金属筛网上喷涂聚硅氧烷/聚甲基丙烯酯甲酯形成耐磨的超疏水-超亲油表面，对油水混合物或乳液具有优异的分离效果。但是该方法制备的超疏水-超亲油表面易被油性物质污染，且油水分离时，下层高密度的水会阻隔上层低密度的油与分离膜的接触，导致油水分离效率不理想。此外，以无机酸和有机酸为代表的酸性物质易腐蚀金属筛网，严重降低油水分离的效果。相对于超疏水-超亲油表面，以金属筛网为基底的超亲水-超疏油表面具有更高油水分离效率。因此，提供一种面向油水分离可切换表面润湿性能的超亲水-超疏油涂层具有重要的意义。技术实现要素：有鉴于此，有必要针对上述的问题，提供一种面向油水分离可切换表面润湿性能的涂层及其制备方法，涂层可由超亲水-超疏油自由切换至超疏水-超疏油，抑制酸性物质的渗透腐蚀，提高油水分离效率。为实现上述目的，本发明采取以下的技术方案：一种面向油水分离可切换表面润湿性能的涂层，包括低表面能化学相、多层级拓扑物理相和附着剂；所述低表面能化学相包括极性基团氟聚合物和第一溶剂；所述多层级拓扑物理相包括无机微米颗粒、无机纳米颗粒和第二溶剂；所述低表面能化学相与多层级拓扑物理相的体积比为10：3～10。进一步的，在上述面向油水分离可切换表面润湿性能的涂层中，所述附着剂为聚乙烯醇水溶液、聚乙醇吡咯烷酮水溶液、聚乙二醇水溶液、羟甲基纤维素钠中的一种；附着剂与低表面能化学相和多层级拓扑物理相两相总体积的体积比为3％～15％：1。优选的，在上述面向油水分离可切换表面润湿性能的涂层中，低表面能化学相中极性基团氟聚合物的固含量为2～10％。优选的，在上述面向油水分离可切换表面润湿性能的涂层中，多层级拓扑物理相中无机微米颗粒和无机纳米颗粒的固含量为1～7％。优选的，在上述面向油水分离可切换表面润湿性能的涂层中，附着剂的固含量为0.5～4.5％。进一步的，在上述面向油水分离可切换表面润湿性能的涂层中，所述的极性基团氟聚合物为zonyl9361，zonyl7910，zonylfsa，zonylfse，capstonefs-64，capstonefs-61，fposs-cooh，fposs-nh中的一种或两种。进一步的，在上述面向油水分离可切换表面润湿性能的涂层中，所述第一溶剂为水、乙醇、乙二醇、异丙醇中的一种。进一步的，在上述面向油水分离可切换表面润湿性能的涂层中，所述无机微米颗粒为二氧化硅微米颗粒、二氧化钛微米颗粒、二氧化锆微米颗粒、三氧化二铝微米颗粒中的一种；无机纳米颗粒为二氧化硅纳米颗粒、二氧化钛纳米颗粒、氧化锌纳米颗粒、三氧化二铝纳米颗粒中的一种。优选的，在上述面向油水分离可切换表面润湿性能的涂层中，无机微米颗粒的尺寸为1.5～9μm。优选的，在上述面向油水分离可切换表面润湿性能的涂层中，无机纳米颗粒的尺寸为10～90nm。进一步的，在上述面向油水分离可切换表面润湿性能的涂层中，所述第二溶剂为乙醇、异丙醇、二丙二醇甲醚、二丙二醇丁醚中的一种。进一步的，在上述面向油水分离可切换表面润湿性能的涂层中，无机微米颗粒与无机纳米颗粒的质量比为10：7～20。一种面向油水分离可切换表面润湿性能的涂层的制备方法，包括以下步骤：(1)将极性基团氟聚合物与第一溶剂搅拌混匀形成低表面能化学相；(2)将无机微米颗粒、无机纳米颗粒和第二溶剂超声混合形成多层级拓扑物理相；(3)将形成的低表面能化学相和多层级拓扑物理相混合后，加入附着剂，密封静置排泡后形成浆料；(4)将步骤(3)制备的浆料均匀涂覆于金属筛网，自然干燥，即得。进一步的，在上述面向油水分离可切换表面润湿性能的涂层的制备方法中，密封静置时间为1～5h。进一步的，在上述面向油水分离可切换表面润湿性能的涂层的制备方法中，涂覆方式为喷涂、浸涂、旋涂、刮涂中的一种。进一步的，在上述面向油水分离可切换表面润湿性能的涂层的制备方法中，金属筛网为不锈钢筛网、钛筛网、铜筛网、铝筛网、铁筛网中的一种。进一步的，在上述面向油水分离可切换表面润湿性能的涂层的制备方法中，金属筛网孔尺寸为120～800目。本发明的有益效果为：(1)本发明提供的可切换表面润湿性能的涂层包括基于极性基团氟聚合物的低表面能化学相和基于无机微米颗粒/无机纳米颗粒的多层级拓扑物理相，制备的涂层具有超亲水-超疏油表面，具有更高油水分离效率。(2)本发明提供的可切换表面润湿性能的涂层可感应环境酸性，在遇到酸性环境后，从超亲水-超疏油表面自由切换至超疏水-超疏油表面，抑制酸性物质渗透，具有抗酸性物质腐蚀性能。(3)本发明提供的可切换表面润湿性能的涂层制备工艺简单，采用自然干燥的方式即可固化，相比于现有技术中的紫外固化、高温固化等工艺，本发明更加方便易操作，更利用大面积施工。附图说明图1是本发明实施例1制备的超亲水-超疏油表面的sem图；图2是实施例1制备的涂层对水和油的接触状态图；图3是实施例1和对比例1筛网的元素分析谱图。具体实施方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案作进一步清楚、完整地描述。需要说明的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例1一种面向油水分离可切换表面润湿性能的涂层，包括低表面能化学相、多层级拓扑物理相和附着剂；所述低表面能化学相包括极性基团氟聚合物和第一溶剂；所述多层级拓扑物理相包括无机微米颗粒、无机纳米颗粒和第二溶剂；所述低表面能化学相与多层级拓扑物理相的体积比为10：4；其中，极性基团氟聚合物为zonyl9361，第一溶剂为水，低表面能化学相中zonyl9361的固含量为3.5％；其中，无机微米颗粒为4μm的二氧化硅微米颗粒，无机纳米颗粒为20nm的二氧化钛纳米颗粒，二氧化硅微米颗粒与二氧化钛纳米颗粒的质量比为10：13；第二溶剂为乙醇；多层级拓扑物理相中二氧化硅微米颗粒与二氧化钛纳米颗粒的总固含量为3％；其中，附着剂为固含量为1.3％的聚乙烯醇水溶液，附着剂的体积为低表面能化学相和多层级拓扑物理相两相总体积的5％。上述面向油水分离可切换表面润湿性能的涂层采用如下方法制备：(1)将zonyl9361与水搅拌混匀形成低表面能化学相；(2)将二氧化硅微米颗粒、二氧化钛纳米颗粒和乙醇超声混合形成多层级拓扑物理相；(3)将形成的低表面能化学相和多层级拓扑物理相混合后，加入聚乙烯醇水溶液，密封静置1h排泡后形成浆料；(4)将步骤(3)制备的浆料均匀喷涂于200目的钛筛网，自然干燥，即得。实施例2一种面向油水分离可切换表面润湿性能的涂层，包括低表面能化学相、多层级拓扑物理相和附着剂；所述低表面能化学相包括极性基团氟聚合物和第一溶剂；所述多层级拓扑物理相包括无机微米颗粒、无机纳米颗粒和第二溶剂；所述低表面能化学相与多层级拓扑物理相的体积比为10：7；其中，极性基团氟聚合物为capstonefs-64，第一溶剂为乙二醇，低表面能化学相中capstonefs-64的固含量为5％；其中，无机微米颗粒为5μm的二氧化硅微米颗粒，无机纳米颗粒为30nm的氧化锌纳米颗粒，二氧化硅微米颗粒与氧化锌纳米颗粒的质量比为10：9；第二溶剂为二丙二醇丁醚；多层级拓扑物理相中二氧化硅微米颗粒与二氧化钛纳米颗粒的总固含量为3％；其中，附着剂为固含量为2％的聚乙烯醇水溶液，附着剂的体积为低表面能化学相和多层级拓扑物理相两相总体积的5％。上述面向油水分离可切换表面润湿性能的涂层采用如下方法制备：(1)将capstonefs-64与乙二醇搅拌混匀形成低表面能化学相；(2)将二氧化硅微米颗粒、氧化锌纳米颗粒和二丙二醇丁醚超声混合形成多层级拓扑物理相；(3)将形成的低表面能化学相和多层级拓扑物理相混合后，加入聚乙烯醇水溶液，密封静置2h排泡后形成浆料；(4)将步骤(3)制备的浆料均匀喷涂于300目的不锈钢筛网，自然干燥，即得。实施例3一种面向油水分离可切换表面润湿性能的涂层，包括低表面能化学相、多层级拓扑物理相和附着剂；所述低表面能化学相包括极性基团氟聚合物和第一溶剂；所述多层级拓扑物理相包括无机微米颗粒、无机纳米颗粒和第二溶剂；所述低表面能化学相与多层级拓扑物理相的体积比为1：1；其中，极性基团氟聚合物为zonylfsa，第一溶剂为异丙醇，低表面能化学相中zonylfsa的固含量为10％；其中，无机微米颗粒为9μm的二氧化锆微米颗粒，无机纳米颗粒为90nm的三氧化二铝纳米颗粒，二氧化锆微米颗粒与三氧化二铝纳米颗粒的质量比为10：20；第二溶剂为异丙醇；多层级拓扑物理相中二氧化锆微米颗粒与三氧化二铝纳米颗粒的总固含量为7％；其中，附着剂为固含量为4.5％的聚乙二醇水溶液，附着剂的体积为低表面能化学相和多层级拓扑物理相两相总体积的10％。上述面向油水分离可切换表面润湿性能的涂层采用如下方法制备：(1)将zonylfsa与异丙醇混匀形成低表面能化学相；(2)将二氧化锆微米颗粒、三氧化二铝纳米颗粒和异丙醇超声混合形成多层级拓扑物理相；(3)将形成的低表面能化学相和多层级拓扑物理相混合后，加入聚乙二醇水溶液，密封静置5h排泡后形成浆料；(4)将步骤(3)制备的浆料均匀喷涂于800目的铁筛网，自然干燥，即得。对比例1huiliu(chemicalengineeringjournal,2017,doi:10.1016/j.cej.2017.07.114)所述方法制备的超疏水-超亲油涂层。对比例2一种涂层，包括低表面能化学相、单层级拓扑物理相和附着剂；所述低表面能化学相包括极性基团氟聚合物和第一溶剂；所述单层级拓扑物理相包括无机微米颗粒和第二溶剂；所述低表面能化学相与单层级拓扑物理相的体积比为10：4；其中，极性基团氟聚合物为zonyl9361，第一溶剂为水，低表面能化学相中zonyl9361的固含量为3.5％；其中，无机微米颗粒为4μm的二氧化硅微米颗粒；第二溶剂为乙醇；单层级拓扑物理相中二氧化硅微米颗粒的固含量为3％；其中，附着剂为固含量为1.3％的聚乙烯醇水溶液，附着剂的体积为低表面能化学相和单层级拓扑物理相两相总体积的5％。上述涂层采用如下方法制备：(1)将zonyl9361与水搅拌混匀形成低表面能化学相；(2)将二氧化硅微米颗粒和乙醇超声混合形成单层级拓扑物理相；(3)将形成的低表面能化学相和单层级拓扑物理相混合后，加入聚乙烯醇水溶液，密封静置1h排泡后形成浆料；(4)将步骤(3)制备的浆料均匀喷涂于200目的钛筛网，自然干燥，即得。对比例3一种涂层，包括低表面能化学相、单层级拓扑物理相和附着剂；所述低表面能化学相包括极性基团氟聚合物和第一溶剂；所述单层级拓扑物理相包括无机纳米颗粒和第二溶剂；所述低表面能化学相与单层级拓扑物理相的体积比为10：4；其中，极性基团氟聚合物为zonyl9361，第一溶剂为水，低表面能化学相中zonyl9361的固含量为3.5％；其中，无机纳米颗粒为20nm的二氧化钛纳米颗粒；第二溶剂为乙醇；单层级拓扑物理相中二氧化钛纳米颗粒的固含量为3％；其中，附着剂为固含量为1.3％的聚乙烯醇水溶液，附着剂的体积为低表面能化学相和单层级拓扑物理相两相总体积的5％。上述涂层采用如下方法制备：(1)将zonyl9361与水搅拌混匀形成低表面能化学相；(2)将二氧化钛纳米颗粒和乙醇超声混合形成单层级拓扑物理相；(3)将形成的低表面能化学相和单层级拓扑物理相混合后，加入聚乙烯醇水溶液，密封静置1h排泡后形成浆料；(4)将步骤(3)制备的浆料均匀喷涂于200目的钛筛网，自然干燥，即得。实验数据一、表面性能测试如图2所示，实施例1制备的涂层对水的接触角为4.7°，对油的接触角为152.6°。此外，对比例1制备的涂层对水的接触角为154.7°，对油的接触角为7.0°。对比例2制备的涂层对水的接触角为41.8°，对油的接触角为120.6°。对比例3制备的涂层对水的接触角为35.2°，对油的接触角为129.7°。由此可知，所述本申请中包括无机微米颗粒、无机纳米颗粒的多层级拓扑物理相使制备的涂层具有更高的亲水性和疏油性。二、油水分离效率测试油水分离效率测试方法：将水、大豆油、十二烷基磺酸钠溶液(质量浓度0.25％的水溶液)按体积比8：1：1机械搅拌混合形成油水乳液；油水乳液经过筛网破乳后进而完成两相分离，统计分离后的水相混杂油相的体积，计算油水分离效率：v水/(v水+v油)，其中v水和v油分别为分离后的水相体积和混杂的油相体积。实施例1制备的涂层具有98.6％的油水分离效率。对比例1制备的涂层具有75.3％的油水分离效率。三、表面润湿性能的切换将实施例1制备的涂层置于不同的ph溶液中，水接触角和油接触角如表1所示。由表1可知，当涂层置于ph约4.4的水溶液后，涂层对水的接触角为150.7°，对油的接触角为155.0°。可见，涂层在ph约4.4的酸性环境中，实现了从超亲水-超疏油表面自由切换至超疏水-超疏油表面。表1.不同ph值溶液下的接触角涂层置于水溶液环境的ph值水接触角油接触角7.24.7°152.6°5.64.8°153.8°4.711.2°152.3°4.4150.7°155.0°4.0150.4°154.5°四、耐酸性腐蚀测试将实施例1和对比例1制备的涂层分别置于ph为4.0的酸性溶液36h，然后75℃烘干，并敞开放置48h，将筛网分别进行元素分析测试，元素分析谱图如图3所示。图3a是实施例1中的筛网，图3b是对比例1中的筛网。由图3可知，实施例1中筛网的元素分析谱图未出现氧元素峰，说明实施例1的筛网并无锈迹，对比例1中筛网的元素分析谱图出现氧元素峰，说明对比例1的筛网锈迹明显可见。以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。当前第1页12