基于纳米SiO2超疏水材料的制备与应用

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近年来,超疏水材料受到人们的广泛关注,由于其优良的疏水特性在流体减阻、防覆冰、防尘自清洁和油水分离等方面具有重要的潜在应用。纳米二氧化硅(SiO2)由于具有制备简单、颗粒尺寸小、化学纯度高、分散性好和稳定性优良等优点,在超疏水材料制备方面得到广泛应用。但目前在农用塑料和金属的防尘自清洁方面应用研究较少。并且传统的油水分离材料主要是多孔吸附材料,例如活性炭、毛发等,然而这些材料存在着油水难以分离、分离效率低、难以回收、难以重复利用等缺点,已不能满足当今环保、高效油水分离要求。本论文基于纳米SiO2制备了一系列超疏水材料,并将其应用于PE膜、不锈钢滤网表面的防附尘和油水混合物分离方面,测试了其防尘性能。主要分为以下四个方面:(1)将纳米SiO2疏水化并与离子液体混合制备了离子液体@SiO2功能材料,然后该材料按一定比例与线性低密度聚乙烯(LLDPE)共混吹膜,制备了具有防尘性能的LLDPE膜。对膜表面进行了SEM表征,通过接触角表征膜表面的润湿性。结果表明,离子液体@SiO2 LLDPE膜疏水性更强,表面能更低,无论是竖直静置还是风力影响下表面附着的粉尘量均小于普通LLDPE膜,防尘性更好。(2)以丙烯酸树脂为粘结剂,通过多步喷涂法将聚二甲基硅氧烷(PDMS)与疏水改性的纳米二氧化硅固定在农膜表面,制备了一种坚固、耐磨、具有疏水和防尘性能的透明聚乙烯(PE)农膜,并对材料进行了表征和性能测试。结果表明,制备的超疏水PE农膜表面具有高稳定性,低表面张力(表面能),其表面张力达23.74 mN/m,比普通膜低12.50mN/m,可见光透过率为86.85%,接触角可达161°,在表面的粉尘留存率比普通膜降低44.7%。与普通膜相比,疏水PE农膜具有优良的透光性、疏水性和防尘性。(3)采用表面刻蚀法,先将不锈钢滤网进行刻蚀,再在表面负载纳米SiO2,最后通过六甲基二硅胺烷对滤网表面进行低表面能的修饰,制备了超疏水不锈钢滤网。优化了制备条件,进行了SEM等表征,测试了超疏水滤网的稳定性及防尘性。结果表明,制备的超疏水不锈钢滤网与水的接触角最高可达(160±1)°,具有很好的耐超声和耐摩擦稳定性。表面能更低,对粉尘的粘附力更低,防尘性能良好。(4)用一锅法制备了一种超疏水和超亲油聚氨酯(PU)海绵,进一步在海绵表面附着聚多巴胺@二氧化硅(PDA@SiO2)涂层与辛基三乙氧基硅烷在室温下改性得到了PDA@SiO2 PU海绵。实验结果表明,制备的海绵接触角高达168°,能很好地吸收水面上的油脂。由于海绵表面的疏水性,完全排斥水,只允许油通过,然后通过吸油装置将海绵中的油引入集油设备中。通过这种方法可分离正己烷、大豆油、石油醚等多种有机溶剂,分离效率在85%以上。并且,超疏水海绵可以多次循环重复利用,使用50个循环以后仍具有良好的疏水性。
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