不同基質超疏水材料及其在油水分離中的應用
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上海卷柔新技術光電有限公司是一家專業(yè)研發(fā)生產光學儀器及其零配件的高科技企業(yè)，公司2005年成立在上海閔行零號灣創(chuàng)業(yè)園區(qū)，專業(yè)的光電鍍膜公司，技術背景依托中國科學院，卷柔產品主要涉及光學儀器及其零配件的研發(fā)和加工；光學透鏡、反射鏡、棱鏡，平板顯示，安防監(jiān)控等光學鍍膜產品的開發(fā)和生產，為全球客戶提供上等的產品和服務。
近年來，工業(yè)含油廢水排放增多、溢油頻繁等問題越來越突出。目前，主要有三種除油方法，分別為化學方法、物理方法和生物方法 。但一些方法效率低、能耗高，甚至還會引入新的污染物，迫切需要開發(fā)新型超疏水材料用于油水分離。
1907年奧利維爾報告了**個超疏水表面，超疏水材料開始得到深入研究。20世紀70年代，巴特洛特在顯微鏡下發(fā)現(xiàn)了蓮花效應。當材料表面對水和油具有相反潤濕性的時候，可用于分離油水混合物。隨后，研究人員模擬具有特殊潤濕性的生物表面微觀結構，開發(fā)出具有超親水/疏油或超疏水/親油性能的材料，并成功應用于油水分離。超疏水材料通過吸附作用分離油水混合物，具有吸附率高、可循環(huán)利用及對環(huán)境友好的優(yōu)點，在油水分離中發(fā)揮了越來越重要的作用 。
本文介紹了超疏水材料的除油方法及制備方法，按制備超疏水材料的基質分為工業(yè)產品、天然無機材料、生物質材料和新興材料四類，綜述了各種材料在油水分離中的特點和優(yōu)點，分析了材料的除油性能，并提出了現(xiàn)有超疏水材料在油水分離領域存在的不足，指出了后續(xù)的研究方向，為深入研究超疏水材料在油水分離領域中的應用提供參考。根據(jù)油滴直徑，油水混合物可分為非均相油水混合物（油滴直徑大于20μm）和油水乳液（油滴直徑小于20μm）。應根據(jù)油水混合物的特點選擇合適的分離方法。
對于非均相油水混合物，可使用重力驅動設備或表面潤濕性不同的材料進行油水分離。Yan等通過在碳布上負載Mn和TiO2制備的超親水/疏油碳布膜對正己烷等輕油具有良好的除油能力，油水分離效率為97.8%～99.0%。Yao等采用靜電紡絲法制備的超疏水/親油聚酰亞胺納米纖維膜能有效分離重油 - 水混合物，分離效率達99.18%。如果改變材料的表面潤濕性，超親水/疏油材料和超疏水/親油材料可相互轉化。Wang等利用去除莖髓的玉米秸稈制成的濾膜有效分離了輕油-水混合物，分離效率大于 99.71%。用聚二甲基硅氧烷和疏水SiO2對其改性后，膜的潤濕狀態(tài)由超親水性變?yōu)槌杷裕蓪崿F(xiàn)重油-水分離。當油在水中均勻分布時會形成水包油或油包水乳液。乳化油液滴相對穩(wěn)定，難以在重力作用下分離，可用陽離子預處理使其轉化為非均相油水混合物后再進行分離。用膜分離油水乳液時，除了考慮膜表面對水和油的潤濕性不同外，還應考慮孔徑大小。膜的孔徑必須小于液滴直徑，但過小的孔徑會導致油滴積聚從而堵塞孔，降低分離效率。目前新型超疏水材料可同時分離多種類型的油。Sun等使用共價有機骨架（COF）制備了具有水下超疏油和油下超疏水特性的智能COF膜。該膜具有切換的傳輸性能：不預濕時，水或油均無法滲透；用水預濕后，水可通過，油被阻擋，可分離輕油 -水混合物、重油-水混合物和油水乳液，分離效率均達99%以上，為設計可控、按需分離的超疏水材料提供了新思路。
近年來，隨著人們對超疏水材料研究的加深，已經制備了各類基質的超疏水材料。基質會影響材料的成本和性能（如堅固耐磨性、環(huán)保性及可回收性等）。超疏水材料需要具有精細的微納米級別的粗糙結構，或者用低表面能的物質進行修飾。目前，常用的制備方法有水熱法、溶膠凝膠法、刻蝕法、靜電紡絲法、涂覆法、沉積法、自組裝法及電化學法 等。
由海綿、織物等聚合物紡織品制備的超疏水材料具有表面多孔、彈性優(yōu)異、柔軟、有韌性及無毒等優(yōu)勢，所吸收的油類物質可通過機械處理（如擠壓等）進行回收，具有良好的可重復使用性。孫怡坤等發(fā)現(xiàn)聚四氟乙烯（PTFE）表面黏附SiO2后具有優(yōu)異的疏水親油性能，水接觸角（WCA）達153.2°，對非均相油水混合物的除油率超過98%，對油水乳液的除油率超過80%。該制備方法簡單，材料來源廣泛，但僅為單一改性。Zhang等使用沉積法將Fe3O4納米顆粒、氧化石墨烯（GO）和植酸（PA）沉積在聚氨酯海綿（PUS）表面，得到的 SFRM-PUS 具有優(yōu)異的超疏水性、阻燃性和磁性。Fe3O4納米顆粒的引入不僅增加了材料表面的粗糙度，還使 PUS具有磁性，使材料可在磁場作用下定向分離油，SFRM-PUS優(yōu)異的阻燃性一方面得益于PA的引入，另一方面是因為GO與Fe3O4納米顆粒在燃燒中形成了物理屏障，阻止氧氣和熱量的進一步傳遞。在強酸強堿、高溫、高鹽及雜質磨損等惡劣的除油環(huán)境下，海綿容易損壞而出現(xiàn)彈性失活或表面涂層剝落的現(xiàn)象。金屬網既有海綿的柔韌性，又有更強的堅固性和更粗糙的表面，因此更能適應惡劣條件下油水分離的需要。Gao 等使用電沉積法制備了一種鍍鎳不銹鋼網SNSSM，不僅可有效分離油水混合物，分離效率達94%，而且顯示出優(yōu)異的耐腐蝕性，可在腐蝕性溶液中維持超疏水狀態(tài)超過96h。這是因為鎳層在沉積時會形成“山”狀凸起，既可增加材料表面粗糙度，又可吸附一定量的空氣，形成氣膜屏障，隔絕鍍層與腐蝕性液體的接觸。提高材料的耐腐蝕性可使其更適應生活、生產的實際需要。但銅網無法直接儲油，需要與其他裝置結合制成撇油器，以實現(xiàn)連續(xù)集油。Ren等將硬脂酸改性的超疏水銅網與容器組合，使裝置在進行油水分離時，油能自驅動地通過銅網進入容器，不需額外能量。集油能力完全取決于撇油裝置所連接容器的體積，油水分離效率高達99.5%，10次循環(huán)后，分離效率未明顯下降。金屬網具有優(yōu)越的堅固性和韌性，使它在保持超疏水性的同時，還可根據(jù)實際需要彎曲成各種形狀，這將在海面除油和廢水處理中發(fā)揮出巨大作用。雖然聚合物紡織品、金屬網基超疏水材料具有良好的油水分離效率，但聚合物紡織品熱穩(wěn)定性差，而金屬容易銹蝕解離出金屬離子造成二次污染，這些缺點限制了它們的實際應用。陶瓷是保溫行業(yè)常用的一種材料，具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性、化學穩(wěn)定性和抗污垢性，且使用壽命長、易于清潔，在苛刻的條件下也能進行油水分離。Dong等通過高溫氣相反應在陶瓷纖維表面原位生長出長度約100nm的針狀莫來石晶須，這些晶須顯著提高了陶瓷纖維的表面粗糙度，使該超疏水材料的WCA達159.4°，對油（正庚烷、甲苯、氯仿等）-水的分離效率大于99%。在強酸溶液中浸泡48h后針狀晶須仍未被破壞，表現(xiàn)出優(yōu)異的化學穩(wěn)定性。陶瓷類超疏水材料可適應工業(yè)廢水處理的高溫環(huán)境，在海面除油時也不會對水體造成污染。但莫來石晶須的引入不僅會降低陶瓷纖維的強度，而且自身容易損壞，因此開發(fā)一種更具韌性、抗磨損性的陶瓷類超疏水材料將是研究重點。
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上海卷柔新技術光電有限公司是一家專業(yè)研發(fā)生產光學儀器及其零配件的高科技企業(yè)，公司2005年成立在上海閔行零號灣創(chuàng)業(yè)園區(qū)，專業(yè)的光電鍍膜公司，技術背景依托中國科學院，卷柔產品主要涉及光學儀器及其零配件的研發(fā)和加工；光學透鏡、反射鏡、棱鏡，平板顯示，安防監(jiān)控等光學鍍膜產品的開發(fā)和生產，為全球客戶提供上等的產品和服務。
采用德國薄膜制備工藝，形成了一套具有嚴格工藝標準的閉環(huán)式流程技術制備體系，能夠制備各種超高性能光學薄膜，包括紅外薄膜、增透膜，ARcoating,激光薄膜、特種薄膜、紫外薄膜、x射線薄膜，應用領域涉及激光切割、激光焊接、激光美容、醫(yī)用激光器、光學科研，紅外制導、面部識別、VR/AR應用,博物館，低反射櫥窗玻璃，畫框，工業(yè)燈具照明，廣告機，點餐機，電子白板，安防監(jiān)控等。
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我們的使命：有光的地方就有卷柔新技術！
我們的目標：以高質量的產品，優(yōu)惠的價格,貼心的服務，為客戶提供優(yōu)良的解決方案。
上海卷柔科技以現(xiàn)代鍍膜技術為核心驅動力，通過鍍膜設備、鍍膜加工、光學鍍膜產品服務于客戶，努力為客戶創(chuàng)造新的利潤空間和競爭優(yōu)勢，為中國的民族制造業(yè)的發(fā)展貢獻力量。
