脉冲电沉积制备耐磨型油水分离金属滤筛

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由于超疏水功能材料表面特殊的润湿性特能,使其具有广泛的应用价值,油水分离是其最主要的应用对象之一。然而,现研究所制得的材料尚未能解决耐久性差、循环使用寿命短、经济性差等问题,这极大地制约了超疏水材料的实际应用,这也使得该方向成为研究的热点。本文借助脉冲电沉积法和浸涂氧化法等微纳制造技术,通过一步法或多步法在金属铜网或泡沫铜材料上加工出具备微纳结构的超疏水功能材料,并研究了功能材料表面的形成机理,液滴在所加工材料表面的粘附性和弹跳特性等静、动态行为。此外,还对材料本身的机械稳定性、抗腐蚀性和油水分离特性等相关性能进行了研究分析。本研究为制造有前景的油水分离型超疏水金属材料提供了一种研究方法和思路。主要研究内容及结果如下:(1)结合脉冲电沉积、简单的化学氧化和非氟化处理过程,制备了一种由Cu(OH)2纳米线裹覆的坚固、非氟化超疏水黄铜网。基于所加工的材料表面,进行了液滴滚动试验和弹跳性能试验,对材料表面和成分进行了表征,分析其内在的形成机理,以及对材料进行了机械稳定性、化学稳定性、油水分离特性等方面的实验研究。结果显示,该超疏水功能表面的形成主要依赖于表面粗糙的微纳结构以及自组装反应形成的具有低表面能的长碳链物质十二烷硫铜。此外,液滴的浸润特性、稳定性和油水分离特性受材料表面微纳结构形态的影响,而该过程可通过调节脉冲电参数进行形貌调控。通过该方法制备所得的样件具有极强的抗磨损性能和油水分离特性,样件经400次循环磨损测试后,油水分离效率仍可达98%以上。(2)利用一步脉冲电沉积技术直接在3D金属泡沫铜上加工出具有微纳复合低表面能结构的超疏水材料,对材料表面进行了SEM、EDS、XRD、FTIR和XPS的表征和分析,探究了其内在的形成机理,对加工表面进行了液滴滚动试验和弹跳性能试验,并全面探究了材料的耐磨性、抗腐蚀性、抗酸碱性、吸附性和油水分离特性。结果证明,通过简单的一步脉冲电沉积可直接制备出具有低表面能的微纳米结构,内外结构均匀分布,无论在空气中(CA≈165.2°),还是在轻油中(CA≈162.7°),还是在重油中(CA≈165.0°),样件都表现出了优异的超疏水性。经对比实验可知,样件具有优异的抗腐蚀性、化学稳定性、机械稳定性和油水分离效率。样件的腐蚀电流低至1.67×10-2A·cm–2,且具有最大的阻抗模值;经100次循环磨损后,样件的静态接触角仍维持在151°左右;经20次的循环磨损后,分离效率仍可达98%。脉冲电沉积可通过脉冲电场特性实现沉积样件形貌的调控,快速、高效制备出性能优异的具备超疏水特性的沉积层。通过采用这种加工方式,不仅可以有效的节省时间,该方法还具有良好的可操控性和拓展性,易于拓展至其他类型的导电金属基体材料,有望为沉积更厚的用于油水分离的多孔金属材料提供一种解决思路。
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