[发明专利]一种基于碳硼烷的超疏水材料及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种基于碳硼烷的超疏水材料及其制备方法和应用，属于超疏水功能材料制备领域。包括：将亲水性海绵充分清洗并浸入多巴胺溶液中，搅拌数小时后，取出并用水和乙醇清洗至洗涤液澄清，真空干燥数小时后得到聚多巴胺涂覆的海绵材料。将所得海绵放入一定浓度的单取代烷氧基硅丙基碳硼烷的乙醇溶液中，在40‑70℃下加热20‑40小时，取出后用乙醇洗涤多次，真空干燥后得到碳硼烷共价连接的超疏水海绵材料；本发明首次将碳硼烷共价连接在聚多巴胺涂覆的整个海绵体表面且制备方法操作简单，经济环保，对设备要求低。所制备的超疏水海绵材料可用于油水分离且超疏水性稳定，对多种油吸附容量高，油水分离效果好。总之，基于碳硼烷的超疏水材料在超疏水功能材料领域极具应用价值。

技术领域

本发明属于超疏水功能材料制备领域，具体涉及一类基于碳硼烷的超疏水材料及其制备方法和应用。

背景技术

碳硼烷是由碳、氢、硼三种元素组成的多面体笼状结构化合物，具有优异的化学稳定性和热稳定性。碳硼烷及其衍生物在耐高温材料、光电材料和防辐射材料等功能材料领域，以及生物医学、催化剂等多个领域有广泛应用研究。然而，其在超疏水功能材料领域的研究却少之又少。Sabina等人将Zn²⁺，1,4-苯二甲磺酸盐和疏水性碳硼烷连接基组装成金属有机框架(MOF)，MOF晶体表面可通过化学处理以去除一些结构单元实现疏水性和亲水性之间切换。这种材料的亲疏水性智能切换是以其晶体结构所暴露表面被化学处理并循环去除的方式实现，不可避免的导致材料结构的损失以及疏水性能的降低。

近年来，溢油事故以及含油废水的排放使得油水分离问题越发严峻。依靠重力、过滤、电化学法等诸多油水分离的传统方法往往成本高、耗时且分离效果较差；廉价的海绵、织物等多孔材料通过吸附分离法在解决油水分离的问题中更具潜力。研究者通过多种方法改变材料表面的成分以及粗糙度从而使多孔材料表现出油、水相反的润湿行为，通常是对多孔材料表面进行疏水基团修饰以及涂覆纳米颗粒构建微纳结构以使材料拥有疏水亲油性能。Wang等人在海绵孔道表面粘连纳米二氧化硅颗粒并修饰十二烷基三甲氧基硅烷得到超疏水海绵以用于油水分离，此方法制备步骤较为繁琐且对各种油的吸附容量仅达到18.3-46.8g/g。罗磊等人选用正辛基三氯硅烷对三聚氰胺海绵疏水改性得到的油水分离材料稳定性和疏水性有限。稳定性高、疏水性强、各种油吸附容量高的多孔材料对油水吸附分离过程至关重要。

本发明利用具有多面体笼状结构的碳硼烷与疏水烷基链相比在空间维度更多的疏水位点，使得改性后海绵的疏水性能及疏水稳定性相比前人的研究得到极大的提升，从而在油水分离应用中表现突出。

发明内容

本发明目的是提供一类基于碳硼烷的超疏水材料及其制备方法和应用。首次将多面体笼状结构的碳硼烷共价连接在聚多巴胺涂覆的整个海绵体表面，所制备的超疏水海绵材料稳定性高、对各种油的吸附容量高，疏水性强，可用于油水分离。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种基于碳硼烷的超疏水材料的制备方法，包括如下步骤：将亲水性海绵浸入多巴胺溶液中，室温下搅拌，取出用水和乙醇超声清洗至洗涤液澄清，真空干燥数小时后得到聚多巴胺涂覆的海绵材料；将所得海绵放入一定浓度的单取代烷氧基硅丙基碳硼烷的乙醇溶液中，在40-70℃下加热20-40小时，取出后用乙醇洗涤多次，真空干燥后得到碳硼烷共价连接的超疏水海绵材料；所述多巴胺溶液为1.5-4mg/ml的多巴胺Tris缓冲液；所述单取代烷氧基硅丙基碳硼烷的乙醇溶液浓度为5-30mg/ml。

优选的，所述亲水性海绵充分清洗并浸入多巴胺溶液中，室温下搅拌数小时后；所述多巴胺溶液为4mg/ml的多巴胺Tris缓冲液；所述单取代烷氧基硅丙基碳硼烷的乙醇溶液浓度为20mg/ml。

优选的，所述亲水性海绵可为三聚氰胺海绵或聚氨酯海绵。