一種硅烷改性二氧化鈦涂料及應(yīng)用
【專利摘要】一種硅烷改性二氧化鈦涂料及應(yīng)用，所述涂料的制備為在二氧化鈦懸浮液中加入硅烷，經(jīng)過改性的二氧化鈦具有疏水親油的特性；將處理過的二氧化鈦懸浮液噴涂到金屬網(wǎng)或棉花上，當(dāng)油水混合液傾倒在銅網(wǎng)上時(shí)，由于涂層疏水親油的特性，油可以透過銅網(wǎng)而水則被隔離出來；當(dāng)棉花浸入油水混合液中時(shí)，棉花可以快速除去水中油污，從而實(shí)現(xiàn)油水分離。本發(fā)明的有益效果是：該涂層制備方法簡單、特性穩(wěn)定，重復(fù)性好，二氧化鈦納米涂層附著在銅網(wǎng)上形成微納復(fù)合結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)表面疏水性，使得水接觸角達(dá)到156°，能承受更大的油水混合液的壓力，提高油水分離的效率，可廣泛用于制藥、化工等行業(yè)的含油污水處理。
【專利說明】
一種硅烷改性二氧化鈦涂料及應(yīng)用
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及一種硅烷改性二氧化鈦涂料及應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]日常生活中含油廢水的大量排放和海上原油泄露事故的頻繁發(fā)生，以及石油、化工和制藥等行業(yè)含油污水的排放，對人類賴以生存的生活環(huán)境帶來了嚴(yán)重的破壞，對我們的身體健康也帶來了不利的影響。所以對含油污水的處理引起了人們的關(guān)注，傳統(tǒng)的油水分離方法有:沉降分離法、離心分離法、電脫分離法和氣浮分離法等，但是這些方法各自都存在一些缺陷，有的分離效率不高，有的能耗過高，有的需要的設(shè)備昂貴，不宜推廣。
[0003]隨著人們在超疏水方面研究工作的深入，發(fā)現(xiàn)一些具有超疏水特性的材料，同時(shí)具備超親油的特性。CN1265931A公開了一種利用聚全氟乙丙烯粉末疏水親油的特性進(jìn)行油水分離的方法，其先將聚全氟乙丙烯粉末噴涂到金屬網(wǎng)上，再進(jìn)行高溫熔融等工藝。但是，該制備方法復(fù)雜，聚全氟乙烯在300°C左右才會(huì)聚結(jié)在金屬網(wǎng)表面。CN1907549A公開了一種在不銹鋼網(wǎng)上燒結(jié)聚四氟乙烯薄膜進(jìn)行油水分離的方法，將不銹鋼網(wǎng)在聚四氟乙烯乳液中浸潤后進(jìn)行三四次燒結(jié)，在不銹鋼網(wǎng)表面形成聚四氟乙烯薄膜。但是，這種方法不易控制，聚四氟乙烯要加熱到380°C以上才會(huì)熔融成膜。CN101708384A公開了一種油水分離網(wǎng)的制備方法，其先用化學(xué)刻蝕技術(shù)在金屬網(wǎng)上刻蝕出微觀凸起，再在其表面修飾一層低表面能的化合物。但是用酸刻蝕來得到粗糙度會(huì)降低金屬網(wǎng)的強(qiáng)度，同時(shí)也造成二次污染。CN104802488A公開了一種具有階層粗糙結(jié)構(gòu)涂層的超疏水油水分離材料，其首先在金屬網(wǎng)上沉積兩層粒徑不同的二氧化硅納米粒子，再用低表面能化合物進(jìn)行修飾。但是其需要不同粒徑的涂層，制備方法復(fù)雜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明針對目前的傳統(tǒng)的油水分離方法及設(shè)備存在分離效率不高、能耗過高、設(shè)備昂貴和不宜推廣的問題，提出了一種能高效的實(shí)現(xiàn)油水分離，而且制備方法簡單，無二次污染的硅烷改性二氧化鈦涂層涂料及應(yīng)用。。
[0005]本發(fā)明所述的一種硅烷改性二氧化鈦涂料，其特征在于:按照如下方法制備:
[0006]I)制備二氧化鈦懸浮液:將二氧化鈦粉末與無水乙醇混合后在50?10Hz條件下超聲配成0.01?0.02g/mL的二氧化鈦懸浮液；
[0007]2)制備硅烷改性二氧化鈦噴涂液:在二氧化鈦懸浮液中加入硅烷，繼續(xù)在50?10Hz條件下超聲混勻，然后室溫下反應(yīng)10?15h，得到超疏水二氧化鈦噴涂液，其中所述硅燒與二氧化鈦懸浮液體積比為0.01?0.03:1。
[0008]所述的硅烷為十八烷基三甲氧基硅烷，由于其分子結(jié)構(gòu)中含有比較長的碳鏈，當(dāng)十八烷基三甲氧基硅烷和二氧化鈦結(jié)合后可獲得較好的疏水效果；由于有機(jī)改性劑一般由親水的極性基和親油的非極性基兩部分組成，當(dāng)它和極性的二氧化鈦分子接觸時(shí)，它的極性基便被吸附在二氧化鈦表面，讓非極性基展露在外與其他有機(jī)介質(zhì)親和，從而使表面張力降低，使得二氧化鈦表面從親水性轉(zhuǎn)變?yōu)槭杷?，而且由于親油的非極性基的存在，使得二氧化鈦表面同時(shí)具有親油的特性。
[0009]步驟I)中的超聲時(shí)間為30?60min。
[0010]步驟2)中的超聲時(shí)間為10?20min。
[0011]本發(fā)明所述的硅烷改性二氧化鈦涂層在油水分離中的應(yīng)用，其特征在于:所述的應(yīng)用方法按以下步驟進(jìn)行:
[0012](I)清潔基體，并將基體調(diào)整成與直通管接頭相適應(yīng)的大??；
[0013](2)將硅烷改性二氧化鈦噴涂液噴涂，其中噴嘴直徑0.3mm，噴涂量為500mL/min，噴壓控制為250kPa?300kPa，噴涂時(shí)間為I?3s，在清潔干凈的基體，保證涂層厚度為5?10μπι，后置于100°C烘箱內(nèi)處理I?2h，得到帶疏水涂層的基體；
[0014](3)將帶疏水涂層的裝填到直通管接頭內(nèi)部，然后將直通管接頭固定到支架上，直通管接頭的出液端與收集器的進(jìn)液口連通；
[0015](4)將待分離的油水混合物倒入直通管接頭上端的進(jìn)液口，此時(shí)，油水混合物中的油性液體吸附在基體表面的疏水涂層上，而親水液體從直通管接頭的出液端流出收集到收集器內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)油水的分離。
[0016]步驟(4)中所述的油性液體為原油、汽油、柴油、食用油、烷烴類有機(jī)溶劑或脂類有機(jī)溶劑。
[0017]根據(jù)本發(fā)明所述的應(yīng)用構(gòu)建的專用設(shè)備，其特征在于:包括基體、直通管接頭、支架和收集器，所述的基體表面涂覆硅烷改性二氧化鈦涂層，所述的基體填裝在所述的直通管接頭內(nèi)部，所述的直通管接頭裝在所述的支架上，并且保持所述的直通管接頭的出液口與收集器的進(jìn)液口連通。
[0018]所述的基體為金屬網(wǎng)或脫脂棉。
[0019]所述的基體為銅網(wǎng)。
[0020]所述的直通管接頭材料為聚四氟乙烯。
[0021]所述的銅網(wǎng)的清潔方法包括以下步驟:
[0022]①用砂紙打磨銅網(wǎng)，得到粗糙的銅網(wǎng)表面，以便更好的吸附納米粒子，增強(qiáng)表面疏水性
[0023 ]②用3?5M的稀硝酸浸泡銅網(wǎng)I?2min去除銅網(wǎng)表面的氧化物；
[0024]③經(jīng)稀硝酸處理的銅網(wǎng)依次放入丙酮、乙醇和水中各超聲1?15min清洗;超聲頻率為50?10Hz;
[0025]④將超聲之后的銅網(wǎng)置于室溫下干燥后剪成與直通管接頭內(nèi)徑匹配的大小。
[0026]當(dāng)油水混合液中的油比較少時(shí)，可以將改性過的二氧化鈦懸浮液噴涂到棉花上，再用棉花吸附水中的油。
[0027]本發(fā)明的有益效果是:I)利用硅烷改性二氧化鈦后疏水親油的特性，工藝簡單，反應(yīng)條件溫和，而且成本較低;2)本涂層具有優(yōu)異的疏水性，二氧化鈦納米涂層附著在銅網(wǎng)上形成微納復(fù)合結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)表面疏水性，使得水接觸角達(dá)到156°，可以受更大的油水混合液的壓力，提高油水分離的效率，而且油水混合液中的雜質(zhì)不易在涂層表面附著，便于清理。
【附圖說明】
[0028]圖1為實(shí)施例二中處理后銅網(wǎng)在電鏡下的形貌圖，a中嵌入圖為處理后銅網(wǎng)的照片，b中嵌入圖為處理后銅網(wǎng)對水的接觸角測試圖，接觸角為156.1°;
[0029]圖2(a)為油水分離裝置示意圖；其中標(biāo)號(hào)分別為:I帶超疏水涂層的銅網(wǎng)；2連通管接頭;3支架;4油收集器;5油水混合物;6分離出的水；(7)分離出的油；(b)為銅網(wǎng)的局部放大示意圖。
[0030]圖3為銅網(wǎng)表面疏水性示意圖，其中(a)代表硅烷直接處理的銅網(wǎng)表面與水接觸示意圖，水接觸角分別為116°; (b)未打磨的銅網(wǎng)表面涂覆圖層與水接觸示意圖，水接觸角分別為138° ; (c)代表先打磨之后并涂覆涂層的銅網(wǎng)表面與水接觸示意圖，水接觸角分別為156。；
[0031]圖4為實(shí)施例二中的聚四氟乙烯管，將銅網(wǎng)放入b管的螺紋連接口中，a管和b管通過螺紋連接的同時(shí)將銅網(wǎng)固定；
[0032]圖5為實(shí)施例二中用處理好的銅網(wǎng)去分離水(下層)和十二醇(上層)的實(shí)物效果；
[0033]圖6為實(shí)施例二中用處理好的銅網(wǎng)去分離水(上層)和三氯甲烷(下層)的實(shí)物效果;
[0034]圖7為實(shí)施例三中a)將處理過和未處理過的棉花同時(shí)放置到水面上后的結(jié)果對比圖，b)同時(shí)將水滴和油滴滴落到處理過的棉花上后結(jié)果對比圖；
[0035]圖8為實(shí)施例三中用處理好的棉花去吸附漂浮在水面上的十二醇的實(shí)施過程；
圖9為實(shí)施例三中用處理好的棉花去吸附水下的三氯甲烷的實(shí)施過程。
【具體實(shí)施方式】
[0036]下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明
[0037]參照附圖:
[0038]實(shí)施例1本發(fā)明所述的一種硅烷改性二氧化鈦涂料，其特征在于:按照如下方法制備:
[0039]I)制備二氧化鈦懸浮液:將0.1g二氧化鈦粉末與1mL無水乙醇混合后在10Hz條件下超聲配成0.01g/mL的二氧化鈦懸浮液；
[0040]2)制備硅烷改性二氧化鈦噴涂液:在二氧化鈦懸浮液中加入0.2mL十八烷基三甲氧基硅烷，繼續(xù)在10Hz條件下超聲混勻，然后室溫下反應(yīng)12h，得到超疏水二氧化鈦噴涂液，其中所述娃燒與二氧化鈦懸浮液體積比為0.02:1。
[0041 ] 步驟I)中的超聲時(shí)間為60min。
[0042]步驟2)中的超聲時(shí)間為15min。
[0043]實(shí)施例2本發(fā)明所述的硅烷改性二氧化鈦噴涂液在油水分離中的應(yīng)用，其特征在于:所述的應(yīng)用方法按以下步驟進(jìn)行:
[0044](I)清潔基體，并將基體調(diào)整成與直通管接頭相適應(yīng)的大??；
[0045](2)將硅烷改性二氧化鈦噴涂(噴嘴直徑0.3mm，噴涂量為500mL/min，噴壓控制為300kPa，噴涂時(shí)間為3s)液噴涂在清潔干凈的基體(涂層厚度為5μπι)后置于100 V烘箱內(nèi)處理2h，得到帶疏水涂層的基體；
[0046](3)將帶疏水涂層的基體裝填到直通管接頭內(nèi)部，然后將直通管接頭固定到支架上，直通管接頭的出液端與收集器的進(jìn)液口連通；
[0047](4)將待分離的油水混合物倒入直通管接頭上端的進(jìn)液口，此時(shí)，油水混合物中的油性液體吸附在基體表面的疏水涂層上，而親水液體從直通管接頭的出液端流出收集到收集器內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)油水的分離。
[0048]步驟(4)中所述的油性液體為原油、汽油、柴油、食用油、烷烴類有機(jī)溶劑或脂類有機(jī)溶劑。
[0049]實(shí)施例3根據(jù)實(shí)施例2所述的應(yīng)用構(gòu)建的專用設(shè)備，如圖2所示，包括基體1、直通管接頭2、支架3和油收集器4，所述的基體I表面涂覆硅烷改性二氧化鈦涂層，所述的基體I填裝在所述的直通管接頭2內(nèi)部，所述的直通管接頭2裝在所述的支架3上，并且保持所述的直通管接頭2的出液口與收集器4的進(jìn)液口連通，5為油水混合液，6為分離出的水，7為分離出的油。
[0050]所述的基體I為金屬網(wǎng)或脫脂棉。
[0051]所述的基體I為銅網(wǎng)，其中銅網(wǎng)剪成直徑為30mm左右的圓形，所述銅網(wǎng)尺寸為直徑:5 Oym，孔:6 Oym X 40μηι。
[0052]所述的直通管接頭2材料為聚四氟乙烯。
[0053 ]實(shí)施例4實(shí)施例2中所述的銅網(wǎng)的清潔方法包括以下步驟:
[0054]①用砂紙打磨銅網(wǎng)，得到粗糙的銅網(wǎng)表面，以便更好地吸附納米粒子，增強(qiáng)表面疏水性；
[0055]②用4Μ的稀硝酸浸泡銅網(wǎng)2min，去除銅網(wǎng)表面的氧化物；
[0056]③經(jīng)稀硝酸處理的銅網(wǎng)依次放入丙酮、乙醇和水中各超聲15min清洗;超聲頻率為10Hz;
[0057]④將超聲之后的銅網(wǎng)置于室溫下干燥后剪成與直通管接頭內(nèi)徑匹配的大小。
[0058]硅烷直接處理的銅網(wǎng)表面和未打磨的銅網(wǎng)涂層表面疏水性對于如圖3(a)和(b)所示，水接觸角分別為116°和138°;二氧化鈦在其中起到了增大表面粗糙度和增強(qiáng)疏水性的效果;將銅網(wǎng)打磨后再噴涂涂層是為了銅網(wǎng)表面能更好地吸附二氧化鈦納米粒子，增強(qiáng)疏水性，打磨前后銅網(wǎng)涂層表面疏水性對比如圖3(b)和(c)所示，打磨后接觸角從138°增大到156°，實(shí)現(xiàn)了超疏水的效果。
[0059]實(shí)施例5本發(fā)明所述的專用裝置在油水分離中的應(yīng)用
[0060]將銅網(wǎng)先用砂紙分別沿x、y方向進(jìn)行打磨，使銅網(wǎng)變得粗糙，然后將銅網(wǎng)置于4M的硝酸中處理Imin，除去表面氧化物:再依次放入丙酮、乙醇和水中各超聲清洗1min，最后室溫下干燥。把烘干的銅網(wǎng)剪成直徑為30mm左右的圓，再將改性過的二氧化鈦懸浮液噴涂到銅網(wǎng)上，置于烘箱中100°C處理lh。如圖1所示，在電鏡下可以看出涂層很好的附著在銅網(wǎng)表面，水的接觸角可以達(dá)到156° (圖1b)，而油的接觸角基本接近0°。將銅網(wǎng)放到帶螺紋的聚四氟乙烯管口上(圖4b)，通過螺紋連接另一段聚四氟乙烯管(圖4a)的同時(shí)將銅網(wǎng)固定住。然后，用支架上的夾子將連接在一起的聚四氟乙烯管夾住，管子下面接干凈的燒杯。如圖5和圖6所示，分別將密度比水小的己烷和密度比水大的三氯甲烷與水混合(水分別被蘇丹紅和亞甲基藍(lán)染色)(V油:V水=1:1)，再緩慢倒入直通管中，發(fā)現(xiàn)都能很好的分開。
[0061 ]實(shí)施例6本發(fā)明所述的涂料在水清潔中的應(yīng)用
[0062]將改性過的二氧化鈦噴涂液噴涂到脫脂棉上，再將脫脂棉置于烘箱中100°C處理lh。如圖7所示，a)當(dāng)將處理好的脫脂棉和未處理的脫脂棉同時(shí)放到水面上，處理過的脫脂棉會(huì)一直漂浮在水面，而未處理的則會(huì)迅速被水浸潤。b)分別將水和油滴滴在處理過的脫脂棉上，油滴會(huì)迅速浸潤脫脂棉而水則一直保持液滴形態(tài)。說明處理過的脫脂棉已經(jīng)被很好的疏水化，同時(shí)噴涂液也加強(qiáng)了脫脂棉的親油性。如圖8、圖9所示，用鑷子夾住烘干后的脫脂棉，去吸附少量混在水中的三氯甲烷或者己烷(油被油紅O染色)，可以看出水中的油漬都被很好的吸附出來。
[0063]本說明書實(shí)施例所述的內(nèi)容僅僅是對發(fā)明構(gòu)思的實(shí)現(xiàn)形式的列舉，本發(fā)明的保護(hù)范圍不應(yīng)當(dāng)被視為僅限于實(shí)施例所陳述的具體形式，本發(fā)明的保護(hù)范圍也包括本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思所能夠想到的等同技術(shù)手段。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種硅烷改性二氧化鈦涂料，包括以下步驟: 1)制備二氧化鈦懸浮液:將二氧化鈦粉末與無水乙醇混合后在50?10Hz條件下超聲配成0.01?0.02g/mL的二氧化鈦懸浮液； 2)制備硅烷改性二氧化鈦噴涂液:在二氧化鈦懸浮液中加入硅烷，繼續(xù)在50?10Hz條件下超聲混勻，然后室溫下反應(yīng)10?15h，得到超疏水二氧化鈦噴涂液，即硅烷改性二氧化鈦涂層，其中所述娃燒與二氧化鈦懸浮液體積比為0.01?0.03:1。2.如權(quán)利要求1所述的硅烷改性二氧化鈦涂料，其特征在于:所述的硅烷為十八烷基三甲氧基硅烷。3.如權(quán)利要求1所述的硅烷改性二氧化鈦涂料，其特征在于:步驟I)中的超聲時(shí)間為30?60mino4.如權(quán)利要求1所述的一種硅烷改性二氧化鈦涂料，其特征在于:步驟2)中的超聲時(shí)間為10?20min。5.權(quán)利要求1?4任意一項(xiàng)所述的一種硅烷改性二氧化鈦涂料在油水分離中的應(yīng)用，其特征在于:所述的應(yīng)用方法按以下步驟進(jìn)行: (1)清潔基體，并將基體調(diào)整成與直通管接頭相適應(yīng)的大??； (2)將硅烷改性二氧化鈦噴涂液噴涂在清潔干凈的基體后置于100°C烘箱內(nèi)處理I?2h，得到帶疏水涂層的基體； (3)將帶疏水涂層的基體裝填到直通管接頭內(nèi)部，然后將直通管接頭固定到支架上，直通管接頭的出液端與收集器的進(jìn)液口連通； (4)將待分離的油水混合物倒入直通管接頭上端的進(jìn)液口，此時(shí)，油水混合物中的油性液體吸附在基體表面的硅烷改性二氧化鈦涂層上，而親水液體從直通管接頭的出液端流出收集到收集器內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)油水的分離。6.如權(quán)利要求5所述的應(yīng)用，其特征在于:步驟(4)中所述的油性液體為原油、汽油、柴油、食用油、烷烴類有機(jī)溶劑或脂類有機(jī)溶劑。7.如權(quán)利要求1所述的一種硅烷改性二氧化鈦涂料，其特征在于:所述的二氧化鈦能替換成二氧化娃等其他納米粒子。
【文檔編號(hào)】C02F1/40GK105907131SQ201610273122
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年4月27日
【發(fā)明人】吳化平, 劉愛萍, 魯聰達(dá), 李吉泉, 丁浩, 柴國鐘, 朱凱, 曹彬彬, 吳兵兵
【申請人】浙江工業(yè)大學(xué), 浙江理工大學(xué)