[发明专利]一种三元硅氧烷海绵的制备方法及用途

说明书

技术领域

本发明属于环境功能材料制备与应用技术领域，具体涉及三元硅氧烷海绵的制备方法及用途。

背景技术

全球范围内的石油产品用量在不断增加，与此同时，在其开采、加工、运输等环节中不断有原油和石油产品泄露，对生态系统带来沉重打击。如2010年的墨西哥湾海上漏油事故，不仅严重影响了当地海洋及海岸线的生态平衡，还因原油扩散而影响到更远的海洋区域，造成大量鱼类、鸟类和海洋生物的死亡。当漏油事故发生时，如何能够快速地收集水面漂浮的石油以及实现油-水分离已成为处理原油泄漏问题的关键，引起了世界各国的高度关注。

利用具有丰富孔结构的物质对油类进行吸附或利用超疏水、超亲油材料进行油-水分离是解决上述问题最可行的方法。海绵是一种多孔性材料，也是目前最常用的油-水混合物分离和泄露原油收集用吸附材料。常见的油-水分离用海绵通常采用以下两种方法制备：1)对已有的海绵进行表面改性，使其具有疏水、亲油的能力，这种表面改性可通过物理负载或化学键合来实现。如Zhu等报道了(J.Mater.Chem.A,2013,1,5386-5393)通过硅烷改性聚氨酯海绵获得具有超疏水、超亲油性能的海绵；中国发明专利申请CN103537120A报道了在聚氨酯海绵骨架表面沉积金属氧化物，再将硅烷偶联剂通过氧化物表面的羟基连接到海绵上得到吸油海绵。由上述方法制备的材料具有较好的吸油性能，但是海绵在使用过程中存在机械稳定性差等致命性问题：轻微的摩擦、碰触即会导致材料表面丧失超疏水、超亲油性能，大大降低材料的油-水分离效果。2)通过分子单体的聚合反应，直接制备出具有吸油性能的海绵。这类海绵的疏水亲油性能是由其自身化学组成和结构决定的，不会因为使用方式的不同而降低材料的油-水分离能力。Nakanishi等报道了采用二官能团烷氧基硅烷和三官能团烷氧基硅烷制备出二元体系的硅氧烷海绵(J.Mater.Chem.,2011,21,17077-17079.)，材料具有超疏水、超亲油的特性。但是采用上述原料和方法制备的海绵力学性能一般，特别是材料在循环使用时在外力挤压下极易破碎，因此在实际应用过程中受到了一定的限制。

发明内容

本发明目的在于，提供了一种力学性能增强的三元硅氧烷海绵的制备方法及用途，该方法是由烷氧基硅烷水解、凝胶化、产品洗涤及干燥步骤完成，通过本发明所述方法获得的三元硅氧烷海绵的表面具有大量非极性基团以及较高的粗糙度，使材料具有超疏水、超亲油的性能，与水的接触角超过160°，具有密度低、耐压缩性能优异、吸油倍率高等优点，该方法操作简单、原料廉价、易于规模化制备，本发明制备的三元硅氧烷海绵在化学有机溶剂处理、含油废水处理或原油泄漏处理中进行油-水分离，是一种新型的油-水分离材料。克服了目前已报道的二元硅氧烷海绵普遍存在力学性能较低的问题，

本发明所述的一种硅氧烷海绵的制备方法，该方法采用三元硅氧烷体系制备具有超疏水、超亲油性能的硅氧烷海绵，三元硅氧烷体系为含有二官能团烷氧基硅烷、三官能团烷氧基硅烷以及四官能团烷氧基硅烷，具体操作按下列步骤进行：

a.烷氧基硅烷水解形成溶胶：在含表面活性剂的酸性溶液硫酸、硝酸、盐酸或乙酸中pH＝2-6依次加入四官能团烷氧基硅烷、三官能团烷氧基硅烷和二官能团烷氧基硅烷，室温下搅拌0.5-1h，然后加入碱性化合物为尿素、乙二胺或三乙烯四胺，继续搅拌0.5-1h，得到澄清溶胶溶液，其中溶胶体系中各物种的摩尔量比例为水∶表面活性剂∶四官能团烷氧基硅烷∶三官能团烷氧基硅烷∶二官能团烷氧基硅烷∶碱性化合物＝5.6×10-1.7×10²∶2.7×10^-2-5.5×10^-1∶1.1×10^-2-8.9×10^-1∶1.4-2.8∶7.2×10^-1-2.2∶1.7-1.3×10；

b.溶胶的凝胶化：将步骤a中得到的溶胶溶液至于密闭烧杯体系中，在温度60-90℃凝胶化3-12h得到硅氧烷海绵；

c.硅氧烷海绵的清洗及干燥：将步骤b中得到的硅氧烷海绵依次采用低沸点有机溶剂为甲醇、乙醇或异丙醇和去离子水进行浸泡挤压清洗，每次浸泡挤压清洗0.5h，然后置于温度25-50℃干燥5-24h，即得到具有优异力学性能的超疏水、超亲油三元硅氧烷海绵。

步骤a中四官能团烷氧基硅烷为四甲氧基硅烷、四乙氧基硅烷、四丙氧基硅烷或四丁氧基硅烷；三官能团烷氧基硅烷为甲基三甲氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷或乙烯基三乙氧基硅烷；二官能团烷氧基硅烷为二甲基二甲氧基硅烷或二乙基二乙氧基硅烷。