基于乳液模板法制备亲水-疏油性多孔聚乙烯醇及其性能研究

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多孔材料用于分离油水混合物具有效率高、成本低与环境友好等优点。传统多孔材料的亲油性使得其内孔易于被油污堵塞,不利于其应用。近年来发展起来的亲水-疏油性多孔材料可选择性吸水,而不吸油,具有防油污、自清洁功能,在油水分离领域更具优势。基于乳液模板法,可实现亲水-疏油性多孔材料的一步法制备,但由于共价交联结构,此类多孔材料呈现脆性,难以具备柔性及可压缩性,其实际应用受到了限制。本研究利用高内相乳液(HIPEs)模板法的可调控性,以聚乙烯醇(PVA)凝胶化固化HIPEs,制备了亲水-空气中疏油型和亲水-水下疏油型两类柔性可压缩多孔材料,详细研究了其浸润性、力学性能及油水分离性能,并探索了其在太阳能水蒸发中的应用。主要研究内容与结论如下:1.在水包油型HIPEs中,以PVA水溶液作连续相,以1H,1H,2H,2H-全氟辛基三乙氧基硅烷(PFOTS)的甲苯溶液作分散相,通过氨水催化PFOTS缩合聚合和PVA凝胶化固化HIPEs,制备了亲水-空气中疏油型多孔材料PVA-Xs。PVA-Xs可快速吸收水滴,表现出亲水性,而油滴在其表面的接触角可达100°到120°,表现出疏油性。该多孔材料具有柔性,可被弯曲成不同形状,且具有优异的力学性能,可被压缩至原高度的30%而不会破碎。良好的力学性能和亲水-疏油性使得PVA-Xs可从油水混合物或表面活性剂稳定的油包水型乳液中选择性吸水,达到油水分离的目的。吸水后,通过挤压去除多孔材料中的水,可实现PVA-Xs的再利用。构成PVA-Xs的大分子间不存在共价交联结构,从而使得PVA-Xs可溶解于热水中,通过添加油性分散相,再经冷冻干燥,可再次制备多孔材料,实现PVA-Xs的循环再生。2.针对上述多孔材料PVA-Xs吸水后力学性能下降,不易维持原形貌的缺陷,利用三聚氰胺(MA)与PVA的氢键相互作用,通过自组装增强多孔材料,制备了PVA-MA-Xs,进一步提高了材料的力学性能。相比于PVA-Xs,PVA-MA-Xs的力学性能提升明显,且在干态或湿态下,都展现出了良好的回弹能力,尤其在湿态下,经过20次压缩,材料依旧保持98%以上的高度。此外,由于湿态PVA-MA-Xs具有亲水-水下疏油性,预润湿的材料能够实现油水混合物以及含表面活性剂的油包水乳液的分离。由于PVA-MA-Xs具有优异的亲水性与良好的耐水性,在其顶部喷涂黑色碳纳米管(CNT)薄层,制备了太阳能蒸发器B-PVA-Xs,通过模拟海水蒸发实验,计算得到B-PVA-Xs的蒸发速率在1.6~2.7 kg·m-2·h-1之间,光热转换效率在90~99%之间,且在10 h的连续蒸发实验中蒸发速率仍然保持在较高的范围内,说明此多孔材料可作为抗油污型太阳能水蒸发材料用于海水淡化。
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