基于水滑石涂层不锈钢网制备特殊浸润膜及性能研究

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受自然界启发,仿生特殊浸润膜特别是水下超疏油以及超双疏涂层的制备和应用,受到学术与工业界广泛的关注。超亲水水下超疏油和超双疏涂层,在油水分离、自清洁、防腐、防污以及减阻等领域具有应用广泛的前景,然而,目前超亲水水下超疏油和超双疏涂层在制备技术过程中,普遍存在高能耗、费时、高成本和二次污染等普遍性问题限制其实际应用。因此,制备环境友好、经济易得且稳定的超亲水水下超疏油和超双疏涂层具有现实意义。为此,本论文以环境友好的水滑石(LDH)为膜的涂层材料,以不锈钢网为基底,通过水热合成法制备了水滑石涂层的不锈钢网膜(LDH-SSM),研究了不同孔径条件、LDH沉积改性以及表面氟化改性对膜结构及其性能的影响,并将其应用于油水分离和抗污染自清洁方面的应用。本论文主要从以下三个方面进行开展:首先,原始不锈钢网由于表面缺少一定的粗糙度具有可极大的塑性,以及基于其具有优异的机械性能、抗腐蚀性能等,通过原位生长在其孔径相对较大的低目数(500目)不锈钢网表面引入LDH等级微纳米涂层,可以获得具备超亲水性和水下超疏油性能的LDH-SSM。研究了其对不同液滴的润湿性和不同种类的油水混合物的分离性能,以及其化学稳定性和机械稳定性。研究表明:LDH-SSM(500目)在分离油水混合物时,通量可高达44.5 L m-2 s-1,截留高达99.2%。不同类型油的水下接触角均在150°以上,滚动角可低至2.5°,以及具有良好的再生利用性能,再生循环后,通量与油水的分离效率并无显著下降。同时在腐蚀溶液中仍保持优越性能,以及具有一定的抗磨损性能。这对于快速处理油泄露以及回收油等具有一定的意义。其次,为了解决改性的不锈钢网膜普遍难以分离油水乳液的问题,在前一章的研究基础上,本章选用孔径相对较小的2300目不锈钢席文编织网。首先制备了LDH-SSM(2300),再以其为基底,制备了超亲水水下超疏油的LDH@LDH-SSM膜。研究了膜对不同种类的油水乳液的分离性能,以及膜的稳定性能。制备的超亲水水下超疏油LDH@LDH-SSM,在水下依旧保持对油优异的自清洁能力,其中在油水乳液分离上,具有相较高的通量与截留,分离油水乳液的水通量可高达4076 L m-2 h-1bar-1,截留高达97.8%。对于在水溶液中制膜,在硼酸溶液水热中制备的LDH@LDH-SSM膜表面更加致密,具有更好的机械稳定性,膜的正反两面均可以实现油水乳液的过滤;以及LDH@LDH-SSM具有良好的再生性能与抗污染能力,分离油水乳液后,通过简单的水清洗,通量大致可恢复正常水平;同时膜可以经受住一定腐蚀溶液的腐蚀,其中油水乳液的分离的通量仍可保持在3974L m-2 h-1bar-1以上,截留仍在97%以上。最后,为了实现膜在空气中拒水拒油的性能,在第一块工作的基础上,通过对LDH-SSM简单的氟化改性,制备了超疏水超疏油的F-LDH-SSM(500目)膜。研究了其对不同种类的水溶液和油的润湿能力,探究了不同的氟化浓度、氟化温度、氟化时间下疏水疏油的性能及规律,进行了一系列F-LDH-SSM的自清洁以及稳定性测试。研究发现:F-LDH-SSM(500目)对水的接触角高达166.3°,滚动角约为4.8°,对于常见油的接触角均在150°上,滚动角低于10°。F-LDH-SSM膜在高浓度的氟硅烷氟化下,表面会形成致密的氟化层,对膜表面形貌造成不利影响以及影响膜的疏水疏油性能。较低的温度较高的温度均不利于氟化的进行,当温度升到80℃时膜甚至表现出亲油状态,60℃为相对较优的氟化温度;氟化时间达到18h及以上,F-LDH-SSM膜对水和油的接触角几乎不再发生明显变化;在腐蚀性溶液以及极端冷热环境中,F-LDH-SSM仍保持优异的化学稳定性,同时膜也具有相对良好的机械性能。具有优异的自清洁能力,表现出良好的抗污性能的F-LDH-SSM对于实际应用具有一定的意义。
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