耐化學(xué)性超親水及水下超疏油油水分離膜及其制備和應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于油水分離膜制備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種耐化學(xué)性超親水及水下超疏油油水分離膜及其制備方法和應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，大分子自組裝的研究取得了一系列的重大進(jìn)展，從而成為研究的熱點(diǎn)，其中一個(gè)重要的應(yīng)用領(lǐng)域就是分子刷聚合物，在自清潔、防污涂料等領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。當(dāng)膜的表面具有親水聚合物分子刷結(jié)構(gòu)時(shí)，膜的表面親水性會(huì)更好，同時(shí)，由于親水聚合物分子刷在水中處于完全伸展的結(jié)構(gòu)，從而使膜的表面在具有微納二元粗糙結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上又具有了納米級(jí)的絨毛結(jié)構(gòu)，從而具有類似荷葉表面的自清潔效果，對(duì)油污具有“彈起”效果，研究表明，超親水和超疏油的表面都對(duì)油污具有防污效果，但是親水涂層的防污效果更佳。分子刷結(jié)構(gòu)的制備目前主要采用大分子自組裝或者點(diǎn)擊化學(xué)接枝的方法制備，制備的方法較為復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的生產(chǎn)，UV固化低聚物具有幾千的分子量和反應(yīng)活性，將其在表面進(jìn)行光固化接枝可以得到分子刷結(jié)構(gòu)，制備方法簡(jiǎn)單、環(huán)保，不失為一種制備分子刷的新型方法。
[0003]不銹鋼絲網(wǎng)和高分子基材雖然具有較好的防腐性能，但是并不是完全耐腐蝕的，高鹽、高酸、高堿等復(fù)雜的含油廢水環(huán)境，上述親水聚合物形成的親水涂層耐腐蝕性較差，無(wú)法抵擋惡劣化學(xué)環(huán)境對(duì)油水分離膜造成的損害，從而影響其使用壽命。本發(fā)明采用底涂預(yù)處理法，對(duì)不銹鋼絲網(wǎng)進(jìn)行防腐保護(hù)，首先以具有良好防腐蝕性能和環(huán)境友好性的UV固化復(fù)合乳液對(duì)不銹鋼絲網(wǎng)進(jìn)行底涂前處理；然后在膜的表面構(gòu)筑分子刷結(jié)構(gòu)，得到一種適用于復(fù)雜化學(xué)環(huán)境和具有自清潔功能的，水環(huán)境下具有超親水和超疏油性質(zhì)的油水分離膜。該膜可以有效分離各類油水混合物，使處理后的污水含油量低于50mg/L。在分離過程中，網(wǎng)膜能夠有效抵制廢水中腐蝕性物質(zhì)對(duì)基材的腐蝕，膜表面的親水分子刷結(jié)構(gòu)使油在膜表面的粘附力極低，網(wǎng)膜不易被油粘附和污染，從而是一種真正的抗腐蝕、抗污染膜。
[0004]授權(quán)專利號(hào)ZL 2013 I 0240149.1和ZL 2013 I 0224027.4的中國(guó)發(fā)明專利分別發(fā)明了一種具有親水聚合物分子刷結(jié)構(gòu)的UV固化超親水及水下超疏油油水分離膜和一種熱固化水凝膠結(jié)構(gòu)超親水及水下超疏油油水分離膜，雖然均具有很好的油水分離效果和抗油污染性能，但是膜的耐水性和耐化學(xué)品性能均較差。授權(quán)專利號(hào)ZL 2013 I 0241229.4的中國(guó)發(fā)明專利發(fā)明了一種氧化石墨烯改性超親水及水下超疏油油水分離膜，雖然用氧化石墨烯進(jìn)行了一定程度的交聯(lián)，大大提高了膜的耐水性和耐化學(xué)品性能，但是其性能還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如本發(fā)明的效果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，本發(fā)明的首要目的在于提供一種耐化學(xué)性超親水及水下超疏油的油水分離膜。本發(fā)明的油水分離膜具有特殊的納米與微米的復(fù)合結(jié)構(gòu)，微米尺度的網(wǎng)孔，微米厚度的有機(jī)-無(wú)機(jī)摻雜包覆層和包覆層上納米尺寸的突起結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了油水分離膜在空氣中對(duì)水和油的接觸角為0°，在水下卻具有超疏油的性質(zhì)。
[0006]本發(fā)明另一目的在于提供一種上述一種耐化學(xué)性超親水及水下超疏油的油水分離膜的制備方法。本發(fā)明的油水分離膜是以100?400目的織物絲網(wǎng)作為基材，采用浸涂或噴涂的方法在上面先構(gòu)筑一層UV固化防腐底涂，然后吸附一層水性UV固化雜化涂料，然后以紫外光固化，使其包覆有微米厚度的摻雜有無(wú)機(jī)納米粒子的親水聚合物包覆層，同時(shí)在包覆層上具有納米尺度的突起，從而得到本發(fā)明的耐化學(xué)性超親水及水下超疏油的油水分離膜。
[0007]本發(fā)明再一目的在于提供上述耐化學(xué)性超親水及水下超疏油的油水分離膜在油水混合物的分離及含油污水的處理中的應(yīng)用。
[0008]本發(fā)明的目的通過下述方案實(shí)現(xiàn):
[0009]—種耐化學(xué)性超親水及水下超疏油油水分離膜，由包括以下步驟方法制備得到:
[0010](I)采用溶膠-凝膠法，以四甲氧(乙氧)基硅烷和四甲氧(乙氧)基鈦中的至少一種為原料，恒溫水浴中，與醇水共溶劑按質(zhì)量比1:1?1:5混合均勻，加入催化劑，保溫反應(yīng)，得到納米溶膠；
[0011](2)UV固化水性涂料的制備:將單官能UV固化低聚物、雙官能UV固化低聚物、多官能UV固化低聚物、步驟(I)的納米溶膠、光引發(fā)劑和乳化劑混合分散均勻，得到UV固化水性涂料；
[0012](3)采用浸涂或噴涂法將UV固化水性防腐涂料涂覆于絲網(wǎng)表面，烘干后，紫外固化，得到防腐底涂網(wǎng)膜；
[0013](4)采用浸涂或噴涂法將步驟(2)的UV固化水性涂料涂覆于步驟(3)所得防腐底涂網(wǎng)膜表面，烘干，UV固化，得到耐化學(xué)性超親水及水下超疏油油水分離膜。
[0014]步驟(I)中所述的醇水共溶劑指由醇類物質(zhì)和水混合得到的共溶劑。
[0015]所述的醇水共溶劑中醇類物質(zhì)和水的質(zhì)量比優(yōu)選為1:5?5:1。
[0016]所述醇類物質(zhì)可為乙醇、丙醇、異丙醇、正丁醇、仲丁醇和異丁醇中的至少一種。
[0017]所述催化劑可為鹽酸、硝酸、硼酸、硫酸、氨水、碳酸氫鈉或氫氧化鈉。
[0018]所述恒溫水浴的溫度優(yōu)選為20?80°C。
[0019]所述保溫反應(yīng)的條件優(yōu)選為20?80°C下反應(yīng)4?5h。
[0020]所述混合均勻優(yōu)選為攪拌5?1min使其混合均勻。
[0021]優(yōu)選地，所述納米溶膠中的納米粒子粒徑控制在10?500nm，納米粒子質(zhì)量含量為20?35%。
[0022]步驟⑵中所用單官能UV固化低聚物、雙官能UV固化低聚物、多官能UV固化低聚物、納米溶劑、光引發(fā)劑和乳化劑的質(zhì)量比優(yōu)選為(10?50): (60?80): (200?500): (10 ?20): (I ?5): (I ?5) ο
[0023]所述混合分散均勻優(yōu)選為在1000?2000r/min下分散10?20min。
[0024]所述的單官能UV固化低聚物為甲氧基聚乙二醇丙烯酸酯和甲氧基聚乙二醇甲基丙烯酸酯中的至少一種。
[0025]所述的雙官能UV固化低聚物為聚醚丙烯酸酯類低聚物、水性丙烯酸酯類低聚物、水性聚氨酯丙烯酸酯類低聚物和水性環(huán)氧丙烯酸酯類低聚物中的至少一種。
[0026]所述的多官能UV固化低聚物優(yōu)選為乙氧化三羥甲基丙烷三丙烯酸酯。
[0027]所述的光引發(fā)劑可為水性光引發(fā)劑Darocur 2959、Esacure KIP 150、Irgacure819DW、QTX、BTC、BPQ、WB-4784、WB-4785、WB-4789 和 WB-4792 中的至少一種。
[0028]所述的乳化劑優(yōu)選為十二烷基苯磺酸鈉。
[0029]步驟(3)中所述UV固化水性防腐涂料為UV固化水性聚氨酯丙烯酸酯涂料、UV固化水性環(huán)氧丙烯酸涂料和UV固化聚氨酯環(huán)氧丙烯酸酯涂料中的至少一種；固含量?jī)?yōu)選為5 ?10%。
[0030]所述烘干優(yōu)選在80?120 °C烘干。
[0031]所述紫外固化的時(shí)間優(yōu)選為3?5min。
[0032]所述絲網(wǎng)優(yōu)選為100?400目的織物絲網(wǎng)，更優(yōu)選使用前經(jīng)超聲清洗、常溫晾干。
[0033]優(yōu)選地，所述的絲網(wǎng)可為不銹鋼絲網(wǎng)、銅絲網(wǎng)、鋁絲網(wǎng)、尼龍絲網(wǎng)、維綸絲網(wǎng)、芳綸絲網(wǎng)、滌綸絲網(wǎng)或睛綸纖維織物網(wǎng)。
[0034]優(yōu)選地，所述超聲清洗的超聲頻率為20?40KHz，功率范圍為100?150W。
[0035]優(yōu)選地，所述超聲清洗為先用清水超聲清洗干凈，然后用無(wú)水乙醇或丙酮超聲清洗，再用蒸餾水超聲清洗干凈。
[0036]優(yōu)選地，所述紫外固化的UV光波長(zhǎng)為245?405nm。
[0037]步驟⑷所述烘干的溫度優(yōu)選為80?200 °C。
[0038]所述紫外固化的時(shí)間優(yōu)選為3?5min。
[0039]優(yōu)選地，所述紫外固化的UV光波長(zhǎng)為245?405nm。
[0040]本發(fā)明的油水分離膜是以100?400目的織物絲網(wǎng)作為基材在其表面包覆有微米厚度的摻雜有無(wú)機(jī)納米粒子的親水聚合物包覆層，同時(shí)在包覆層上呈多層次均勻分布著微米尺度的球形突起，在微米尺度突起之上和微米突起間隔里均勾分布著納米尺度的球形突起。
[0041]本發(fā)明所述無(wú)機(jī)納米粒子表面富含羥基，且不含其他有機(jī)基團(tuán)，粒徑為10?500nm。微米尺度的網(wǎng)孔的孔徑為30?170微米；微米尺度的膜孔的孔徑為10?100微米。優(yōu)選所述微米厚度的包覆層的厚度為11?50微米；所述微米尺度的球形突起粒徑為I?50微米；所述納米尺寸寬度的球形突起的粒徑為10?900納米。
[0042]本發(fā)明的油水分離膜在空氣中對(duì)水和油的接觸角為0°，在水下對(duì)油滴的接觸角大于150°。
[0043]本發(fā)明使用的單官能UV固化低聚物、雙官能UV固化低聚物和官能UV固化低聚物均為親水性或水溶性低聚物