納米SiO2顆粒對(duì)油水分離濾紙性能的影響

陳華泉 司景航 周雪松

(華南理工大學(xué)制漿造紙工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州，510640)

隨著工業(yè)化程度的不斷加強(qiáng)，人們對(duì)石油的需求也日益增加。在石油開采、運(yùn)輸和使用的過程中，不可避免地會(huì)有油類物質(zhì)排入土壤和水體，這些含油廢水將會(huì)惡化水環(huán)境，并對(duì)人體健康帶來嚴(yán)重影響。因此，油水分離技術(shù)顯得迫切而必要。傳統(tǒng)的油水分離方法包括重力法、離心法、過濾法、浮選法、化學(xué)法、電化學(xué)等［1］，但是這些方法存在分離效率低、能耗高、二次污染等缺點(diǎn)［2］。近年來，特殊潤(rùn)濕性材料因其高效率、低能耗和二次污染少的特點(diǎn)，在油水分離領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

以金屬網(wǎng)［3］、海綿［4］、陶瓷［5］等材料為基材制備的特殊潤(rùn)濕性材料因具有疏水親油性或親水疏油性，可實(shí)現(xiàn)油水分離的目的。然而，這些材料在實(shí)際應(yīng)用中存在某些缺陷，如在金屬網(wǎng)表面構(gòu)造粗糙結(jié)構(gòu)難度大;海綿的吸水性強(qiáng)，需使用低表面能含氟化合物賦予其疏水性，這會(huì)對(duì)環(huán)境造成極大污染;陶瓷結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，這類材料不能重復(fù)使用［2］。與其他材料相比，植物纖維抄造的濾紙成本低、易降解、密度小、可重復(fù)使用［6-8］，是制備特殊潤(rùn)濕性材料的理想選擇。濾紙本身的層次結(jié)構(gòu)也有利于在其表面構(gòu)建微米-納米級(jí)的粗糙結(jié)構(gòu)，增大表面粗糙度，增強(qiáng)疏水性［9］。制備油水分離濾紙操作簡(jiǎn)單，對(duì)濾紙進(jìn)行表面改性即可實(shí)現(xiàn)油水分離［10］。Wu H 等人［11］以聚全氟辛基乙基甲基丙烯酸酯 (PFOEMA)為原料，通過原子轉(zhuǎn)移自由基聚合的方式對(duì)濾紙進(jìn)行表面改性，使濾紙具有油水分離特性，其分離效率高于95%。Cao C等人［12］將濾紙浸漬于氫氧化銅溶液，然后用硬脂酸對(duì)其表面改性，用于分離穩(wěn)定的油包水乳液，分離效果顯著。Satapathy M等人［13］以濾紙為基材，利用溶液澆鑄法在其表面澆鑄出線性低密度聚乙烯 (LLDPE)和SiO2+LLDPE涂層，這種涂層的超疏水和超親油特性使其具有良好的油水分離性能，并可重復(fù)使用。連坤鵬等人［14］使用硅-苯丙乳液浸漬濾紙，所制備的濾紙不僅力學(xué)性能得到改善，還具有良好的疏水性，可用于油水分離領(lǐng)域。

材料表面的潤(rùn)濕性由表面化學(xué)組成和微觀結(jié)構(gòu)共同決定。因此，在構(gòu)建特殊潤(rùn)濕性表面時(shí)，表面微觀結(jié)構(gòu)尤為重要。納米SiO2制備工藝簡(jiǎn)單、尺寸均勻、分散性良好，有利于增大材料表面的粗糙度，因此被廣泛應(yīng)用于制備特殊潤(rùn)濕性材料［15-20］。目前，制備納米SiO2的方法主要包括氣相法、沉淀法、微乳液法和溶膠-凝膠法［21］。其中，溶膠-凝膠法工藝簡(jiǎn)單，制備出的納米SiO2粒度可控，純度較高，且納米SiO2表面具有活性較高的硅醇基團(tuán)，為其進(jìn)一步的表面改性或表面化學(xué)修飾提供了可能性［22］。

司景航等人［23］通過物理沉積法將微米級(jí)的纖維素-SiO2復(fù)合顆粒沉積在濾紙表面，使用陽離子苯丙乳液對(duì)濾紙表面改性，使其具有油水分離特性，所制備的油水分離濾紙對(duì)十六烷和水混合液分離效率可達(dá)99.7%。然而，采用該方法增大濾紙表面粗糙度的同時(shí)，纖維素-SiO2復(fù)合顆粒在濾紙表面聚集，堵塞纖維之間的空隙，這可能會(huì)降低濾紙的透氣度，從而導(dǎo)致油水分離速率下降。

本研究以正硅酸乙酯 (TEOS)和甲基三乙氧基硅烷 (MTES)為前驅(qū)體，采用溶膠-凝膠法制備出表面帶有疏水基團(tuán)甲基 (—CH3)的納米SiO2顆粒。將制備的納米SiO2顆粒與陽離子苯丙乳液共混，浸漬濾紙以制備出油水分離濾紙。以期在不造成濾紙孔隙堵塞的情況下，在濾紙表面構(gòu)建“微-納組合結(jié)構(gòu)”，以提高濾紙油水分離效率。研究中探究了TEOS與MTES的配比對(duì)納米SiO2顆粒平均粒徑的影響以及不同的納米SiO2顆粒對(duì)油水分離濾紙表面微觀結(jié)構(gòu)、靜態(tài)接觸角和油水分離效率的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料與儀器

正硅酸乙酯 (TEOS)、甲基三乙氧基硅烷(MTES)，均為分析純，上海阿拉丁生化科技有限公司;氨水，質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%，天津科密歐化學(xué)試劑公司;無水乙醇，分析純，廣東光華科技股份有限公司;去離子水，由實(shí)驗(yàn)室自制;中速定量濾紙，定量80 g/m2，由通用電氣生物科技 (杭州)有限公司提供。

DF-101S恒溫水浴鍋;METTLER TOLEDO電子天平;DHG-9140A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱;VECTOR33傅里葉變換紅外光譜儀 (Nexus Por Euro，美國);表面張力儀 (OCA4.0，德國);高分辨場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡 (FESEM) (Merlin，德國);JEM-2100F透射電子顯微鏡 (TEM);耐破度測(cè)試儀(L＆W CEI80，瑞典); 透氣度儀 (L＆W 166，瑞典)。

1.2 陽離子苯丙類乳液的制備

陽離子苯丙類乳液由課題組提供，工藝詳情可見引文 ［23］，不多闡述。

1.3 納米SiO2顆粒的制備及其表面改性

將10 g去離子水、15 g氨水和100 g無水乙醇加入到500 mL的三口燒瓶中，升溫至60℃，攪拌30 min使其混合均勻。隨后將20 g TEOS和10 g無水乙醇混合均勻，用恒壓滴定漏斗滴加到燒瓶中，滴加時(shí)間為1 h。待滴加結(jié)束后，保溫2 h。將一定量的MTES和10 g無水乙醇混合均勻，用恒壓滴定漏斗滴加到燒瓶中，滴加時(shí)間為0.5 h。滴加結(jié)束后，保溫24 h即可得到表面含有—CH3的納米SiO2顆粒。

1.4 油水分離濾紙的制備

將自制的陽離子苯丙類乳液用乙醇稀釋至固含量為0.5%，加入一定量的納米SiO2顆粒，超聲分散5 min，使其混合均勻備用。將濾紙浸漬于混合液中15 min后取出，于 (105±2)℃烘箱中干燥3 h，然后轉(zhuǎn)移至干燥器中，冷卻至室溫，備用。

1.5 納米SiO2顆粒的表征與測(cè)試

1.5.1 納米SiO2顆粒的紅外光譜分析

將納米SiO2顆粒用蒸餾水洗滌后離心，反復(fù)進(jìn)行上述操作。將所得沉淀物自然風(fēng)干，研磨。取少量樣品與光譜級(jí)溴化鉀按照1∶100的比例混合、壓片，采用傅里葉變換紅外光譜儀進(jìn)行表征。

1.5.2 納米SiO2顆粒的形貌觀察

將納米SiO2顆粒用乙醇稀釋至0.1%左右，超聲分散后，用5μL的移液槍滴1滴在銅網(wǎng)上，無需染色，置于紅外燈下干燥。采用TEM觀察顆粒的形貌。普通碳支持膜 (300目)。

1.5.3 納米SiO2顆粒的表面形貌分析

將納米SiO2顆粒用乙醇稀釋至0.1%左右，用5μL的移液槍滴1滴在鋁箔上，置于紅外燈下干燥。將鋁箔用導(dǎo)電膠固定于鋁制樣品座上，經(jīng)噴金處理后采用FESEM觀察樣品表面形貌，觀察時(shí)的加速電壓為20 kV。

1.5.4 SiO2涂層對(duì)水的靜態(tài)接觸角測(cè)試

將納米SiO2顆粒用乙醇稀釋至5%左右，涂覆在載玻片上，自然風(fēng)干后形成涂層。采用表面張力儀測(cè)試涂層表面對(duì)水的靜態(tài)接觸角。

1.6 油水分離濾紙的表征與測(cè)試

1.6.1 油水分離濾紙表面形貌觀察

將干燥后的油水分離濾紙用導(dǎo)電膠固定于樣品座上，經(jīng)噴金處理后采用FESEM觀察樣品表面形貌，加速電壓為20 kV。

1.6.2 油水分離濾紙對(duì)水的靜態(tài)接觸角測(cè)試

將油水分離濾紙裁剪為長(zhǎng)條狀，用雙面膠貼在載玻片上。采用表面張力儀測(cè)試紙張表面對(duì)水的靜態(tài)接觸角。

1.6.3 油水分離濾紙的油水分離效率測(cè)試

稱取5 g去離子水，加入到45 g用油紅O染色的油相中，高速攪拌30 min使分散均勻。然后將油水混合液倒入濾紙制成的漏勺中。由于濾紙表面的特殊潤(rùn)濕性會(huì)使得油液通過而對(duì)水產(chǎn)生截留。記錄被截留的水的質(zhì)量 m0，油水分離效率 (η)按公式 (1)計(jì)算［24］。

1.6.4 油水分離濾紙耐破度測(cè)試

將所制備的油水分離濾紙按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 454—2002《紙和紙板耐破度的測(cè)定》測(cè)試耐破度。

1.6.5 油水分離濾紙透氣度測(cè)試

將所制備的油水分離濾紙裁剪成直徑為10cm的紙樣，按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 458—2002《紙和紙板透氣度的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)》測(cè)試透氣度。

圖1 納米SiO2顆粒的制備及其表面改性原理示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 納米SiO2顆粒的結(jié)構(gòu)分析

圖1所示為納米SiO2的制備及其表面改性原理。由圖1可知，水分子在堿性條件下會(huì)水解產(chǎn)生氫氧根離子，氫氧根離子會(huì)進(jìn)攻硅原子使硅氧基被羥基取代，生成Si(OH)4，最終縮聚成表面帶有硅醇基團(tuán)的納米SiO2球形顆粒。繼續(xù)加入MTES在該體系下進(jìn)行水解，其水解產(chǎn)物能夠與納米SiO2球形顆粒表面所帶硅醇基團(tuán)進(jìn)行反應(yīng)，從而將疏水性的—CH3基團(tuán)引入到納米SiO2球形顆粒表面［25］。MTES水解后也可能發(fā)生相互之間的縮合反應(yīng)，并且該反應(yīng)速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其與TEOS之間的反應(yīng)。單獨(dú)以MTES為前驅(qū)體水解難以得到單分散的納米SiO2顆粒。為了使納米SiO2顆粒表面具有較多—CH3，且使反應(yīng)可控。所以先以TEOS為前驅(qū)體得到納米SiO2球形顆粒，再令MTES的水解產(chǎn)物包覆在納米SiO2球形顆粒表面。最終得到表面帶有—CH3和—OH的納米SiO2顆粒。

圖2 表面改性前后納米SiO2顆粒的紅外光譜圖

圖2所示為改性前后納米SiO2顆粒的紅外光譜圖。由圖2可以看出，3446 cm－1處為Si—OH的不對(duì)稱伸縮振動(dòng)吸收峰，1104 cm－1處為Si—O—Si的不對(duì)稱伸縮振動(dòng)吸收峰，775 cm－1處為Si—O—Si的對(duì)稱伸縮振動(dòng)吸收峰，465 cm－1處為Si—O—Si的搖擺振動(dòng)特征峰，3446 cm－1處為Si—OH的不對(duì)稱伸縮振動(dòng)吸收峰。與改性前納米SiO2曲線相比，改性后納米SiO2曲線在2958 cm－1處的峰為—CH3基團(tuán)的不對(duì)稱伸縮振動(dòng)吸收峰，在1272 cm－1處多出的峰為—CH3基團(tuán)的對(duì)稱伸縮振動(dòng)吸收峰。結(jié)果表明，表面改性后的納米SiO2顆粒上含有—CH3基團(tuán)，形成了Si—CH3鍵，因此具有疏水性。

2.2 TEOS與MTES配比的影響

2.2.1 TEOS與MTES配比對(duì)納米SiO2顆粒形貌的影響

表1所列為不同納米SiO2顆粒的制備配比。

表1 不同納米SiO 2顆粒的制備配比

表1中，T1M0樣品是以TEOS為前驅(qū)體制備的納米SiO2顆粒，T1M1、T1M2、T1M3、T1M4樣品是以TEOS和MTES為前驅(qū)體水解縮合制備得到的表面含有—CH3基團(tuán)的納米SiO2顆粒。理論上，在TEOS的用量保持不變的情況下，隨著MTES用量的增加，覆蓋在納米SiO2球形顆粒表面的—CH3會(huì)增多。但是當(dāng)MTES的用量過多，其自水解的產(chǎn)物也會(huì)發(fā)生縮合反應(yīng)，導(dǎo)致納米SiO2顆粒團(tuán)聚的可能性增大。

圖3所示為在不同條件下所制備的納米SiO2顆粒的FESEM圖。其中，圖3(a)為以TEOS為前驅(qū)體制備的納米SiO2顆粒，圖3(b)～圖3(e)為以TEOS和MTES為前驅(qū)體水解縮合制備得到的表面含有—CH3基團(tuán)的納米SiO2顆粒。從圖3(a)～圖3(d)可以看出，采用溶膠-凝膠法制備得到的納米SiO2顆粒為規(guī)則的球形，呈現(xiàn)出良好的單分散性。MTES水解產(chǎn)物可與納米SiO2球體外面的硅醇基團(tuán)反應(yīng)，隨著MTES用量的增多，覆著在納米SiO2球體表面的—CH3基團(tuán)也隨之增多。由于TEOS用量保持不變，所以TEOS水解縮合生成的納米SiO2球體外面的硅醇基團(tuán)的數(shù)目也基本保持不變。當(dāng)MTES∶TEOS=1∶1(T1M4) 時(shí)，MTES過量，其水解產(chǎn)物自身會(huì)發(fā)生縮合反應(yīng)，導(dǎo)致納米SiO2顆粒產(chǎn)生團(tuán)聚現(xiàn)象。

圖4所示為不同納米SiO2顆粒的TEM圖。由圖4可以看出，以TEOS為前驅(qū)體制備的納米SiO2顆粒和以TEOS和MTES為前驅(qū)體水解縮合制備得到的表面含有—CH3基團(tuán)的納米SiO2顆粒均為分散性良好的實(shí)心球體。當(dāng) MTES∶TEOS=1∶1(T1M4)時(shí)，MTES過量，其水解產(chǎn)物自身會(huì)發(fā)生縮合反應(yīng)，導(dǎo)致納米SiO2顆粒產(chǎn)生團(tuán)聚現(xiàn)象。

圖3 不同納米SiO2顆粒的FESEM圖

2.2.2 TEOS與MTES配比對(duì)納米SiO2涂層潤(rùn)濕性能的影響

將以TEOS與MTES的不同配比制備所得的納米SiO2顆粒用乙醇稀釋至5%左右，涂覆于載玻片上，自然風(fēng)干后形成涂層。采用表面張力儀測(cè)試沉積層表面對(duì)水的靜態(tài)接觸角，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

圖4 不同納米SiO2顆粒的TEM圖

表2 納米SiO2涂層對(duì)水的靜態(tài)接觸角

圖5 納米SiO2顆粒的涂層對(duì)水的靜態(tài)接觸角照片

圖5所示為納米SiO2顆粒的涂層對(duì)水的靜態(tài)接觸角照片。實(shí)驗(yàn)中，以TEOS為前驅(qū)體制備的納米SiO2粒子的涂層具有親水性，水滴在涂層表面，瞬間鋪開潤(rùn)濕表面，無法顯示其接觸角，故沒有拍照。由圖5可以看出，以TEOS和MTES為前驅(qū)體水解縮合制備得到的表面含有—CH3基團(tuán)的超疏水納米SiO2的涂層具有疏水性，水滴在涂層表面呈水滴狀。由表2可以看出，在TEOS用量保持不變的情況下，增大MTES的用量，所制備的納米SiO2顆粒的涂層對(duì)水的靜態(tài)接觸角增大。其中，T1M2、T1M3和 T1M4樣品的涂層對(duì)水的靜態(tài)接觸角均大于150°，呈現(xiàn)出超疏水性。當(dāng)MTES∶TEOS=1∶1時(shí)，所制備的納米SiO2顆粒的涂層對(duì)水的接觸角達(dá)到最大值，為158.4°。這是因?yàn)殡S著MTES用量的增加，納米SiO2球體外面的硅醇基團(tuán)被MTES的水解產(chǎn)物取代得越多，導(dǎo)致覆蓋在納米SiO2球體表面的疏水基團(tuán)—CH3增多，因此制備所得的納米SiO2顆粒的涂層疏水性增強(qiáng)，對(duì)水的靜態(tài)接觸角增大。

2.3 納米SiO2顆粒用量對(duì)油水分離濾紙的影響

2.3.1 納米SiO2顆粒用量對(duì)油水分離濾紙形貌的影響以TEOS和MTES為前驅(qū)體水解縮合制備得到的表面含有—CH3基團(tuán)的納米SiO2顆粒具有疏水性，且隨著MTES用量的增多，納米SiO2顆粒的疏水性增強(qiáng)。綜合考慮納米SiO2顆粒的疏水性和分散性，選用MTES∶TEOS=4∶3，即T1M3(以下稱之為超疏水納米SiO2顆粒)樣品用于制備油水分離濾紙。將自制的陽離子苯丙類乳液用乙醇稀釋至固含量為0.5%，加入一定量的超疏水納米SiO2顆粒，超聲分散5 min。將中速定量濾紙浸漬于混合液中15 min后取出，于 (105±2)℃烘箱中干燥至恒質(zhì)量，制備得到油水分離濾紙，實(shí)測(cè)上膠量為 (3.0±0.1)%。制備條件如表3所示。

表3 油水分離濾紙的制備條件

圖6 油水分離濾紙的FESEM圖

圖6為自制乳液與超疏水納米SiO2顆粒共混后浸漬濾紙所制備的油水分離濾紙的FESEM圖。從圖6可以看出，濾紙經(jīng)自制乳液與超疏水納米SiO2顆粒共混液浸漬后，除了能在濾紙纖維上包覆一層聚合物膜外，還可以在濾紙纖維表面嵌入超疏水納米SiO2顆粒。這對(duì)增大濾紙表面的粗糙度十分有利。隨著超疏水納米SiO2顆粒用量的增加，濾紙纖維表面嵌入的超疏水SiO2顆粒也隨之增多。當(dāng)超疏水SiO2顆粒用量達(dá)到1.0%時(shí)，濾紙表面的超疏水納米SiO2顆粒已經(jīng)非常密集。但是此時(shí)濾紙本身的層次結(jié)構(gòu)依然保持完整，并沒有因?yàn)槌杷{米SiO2顆粒的用量過多而產(chǎn)生“堵孔”現(xiàn)象，保證了油水分離濾紙的透氣性。由油水分離濾紙表面的局部放大圖6(f)可以看出，絕大多數(shù)超疏水納米SiO2顆粒已被嵌入濾紙纖維表面，且分散性較好。由濾紙本身的微米級(jí)粗糙結(jié)構(gòu)和濾紙纖維表面嵌入的超疏水納米SiO2顆粒共同構(gòu)建了油水分離濾紙表面的微米-納米分級(jí)粗糙結(jié)構(gòu)。

2.3.2 油水分離濾紙對(duì)水的靜態(tài)接觸角

圖7所示為超疏水納米SiO2顆粒用量對(duì)油水分離濾紙對(duì)水的靜態(tài)接觸角的影響。圖8所示為油水分離濾紙對(duì)水的靜態(tài)接觸角照片。

由圖7和圖8可以看出，僅用自制的陽離子乳液浸漬所制備的油水分離濾紙對(duì)水的靜態(tài)接觸角為115.9°。添加了超疏水納米SiO2顆粒后所制備的油水分離濾紙對(duì)水的靜態(tài)接觸角均大于115.9°，且隨著超疏水納米SiO2顆粒用量的增加，油水分離濾紙對(duì)水的靜態(tài)接觸角隨之增加。當(dāng)超疏水納米SiO2顆粒用量達(dá)到1.0%時(shí)，油水分離濾紙對(duì)水的靜態(tài)接觸角達(dá)到148.4°，接近超疏水表面。

圖7 超疏水納米SiO2顆粒的用量對(duì)油水分離濾紙對(duì)水的靜態(tài)接觸角的影響

材料的表面潤(rùn)濕性是由表面的化學(xué)組成和微觀形貌共同決定的。自制的陽離子苯丙類乳液在高溫干燥的過程中，會(huì)由于熱塑性而在濾紙纖維表面鋪展成膜。由于覆蓋于紙張表面的共聚物膜具有疏水性，可以有效阻止水分子在纖維表面的黏附，從而使濾紙具有一定的疏水性。但是由于自制乳液的表面能和濾紙微觀結(jié)構(gòu)的限制，使得自制乳液浸漬所制備的油水分離濾紙對(duì)水的靜態(tài)接觸角不能達(dá)到很高，僅為115.9°。在添加了超疏水納米SiO2顆粒后，超疏水納米SiO2顆?？梢郧度氲綖V紙纖維的表面，與濾紙本身的微米級(jí)粗糙結(jié)構(gòu)共同構(gòu)建形成微米-納米分級(jí)粗糙結(jié)構(gòu)，大大增加了濾紙表面的粗糙度。因此添加了超疏水納米SiO2顆粒的油水分離濾紙對(duì)水的靜態(tài)接觸角相較于僅用自制乳液浸漬所得的油水分離濾紙對(duì)水的靜態(tài)接觸角有所提升，且隨著超疏水納米SiO2顆粒用量的增加，油水分離濾紙對(duì)水的靜態(tài)接觸角增加。

2.3.3 油水分離濾紙的油水分離效率

圖9所示為超疏水納米SiO2顆粒用量對(duì)油水分離效率的影響。

圖9 超疏水納米SiO2顆粒用量對(duì)油水分離效率的影響

圖8 油水分離濾紙對(duì)水的靜態(tài)接觸角照片

從圖9可以看出，僅用自制乳液浸漬所得的油水分離濾紙也具有一定的油水分離性能，但是其油水分離效率不高，對(duì)不同油品 (十六烷、汽油、柴油、煤油)與水的混合液的分離效率分別為90.3%、90.4%、89.6%和86.5%。添加了超疏水納米SiO2顆粒后所制備的油水分離濾紙的油水分離效率均有所提升。且隨著超疏水納米SiO2顆粒用量的增加，油水分離濾紙的油水分離效率增加。這是因?yàn)樘砑恿顺杷{米SiO2顆粒后，濾紙表面的粗糙度增大，抗水性也增強(qiáng)。油水分離濾紙表面對(duì)水的接觸角和對(duì)油的接觸角的差值增大，因此油水分離效率提高。當(dāng)超疏水納米SiO2顆粒用量達(dá)到1.0%時(shí)，所制備的油水分離濾紙對(duì)不同油品 (十六烷、汽油、柴油、煤油)與水的混合液的分離效率分別為99.8%、99.6%、99.1%、98.4%。此時(shí)油水分離濾紙已具有良好的油水分離效果。

不同的油品與水的混合液在油水分離濾紙表面會(huì)呈現(xiàn)出不同的分離效果。研究中根據(jù)油品黏度的不同，選用十六烷、汽油、柴油和煤油4種油品來測(cè)試油水分離濾紙的油水分離效率。結(jié)果表明，濾紙的油水分離效率隨著油品黏度的增加而略有降低，但是油水分離濾紙對(duì)煤油和水的混合液的油水分離效率仍然可以達(dá)到98%以上。說明該油水分離濾紙可用于多種油相的油水分離，是一種適用范圍廣泛的良好的油水分離材料。

2.3.4 超疏水納米SiO2顆粒用量對(duì)油水分離濾紙耐破度和透氣度的影響

表4所列為超疏水納米SiO2顆粒用量對(duì)油水分離濾紙耐破度和透氣度的影響，未經(jīng)處理的濾紙耐破度為88 kPa，透氣度為3390 mL/min。

表4 超疏水納米SiO2顆粒用量對(duì)油水分離濾紙耐破度和透氣度的影響

由表4可以看出，經(jīng)過自制乳液浸漬后的濾紙耐破度可達(dá)355 kPa，透氣度下降為2860 mL/min。隨著超疏水納米SiO2顆粒用量的增加，對(duì)油水分離濾紙的耐破度影響不大，而油水分離濾紙的透氣度略有下降，這是因?yàn)槌杷{米SiO2顆粒在濾紙纖維表面會(huì)減少濾紙纖維之間的空隙率。當(dāng)超疏水納米SiO2顆粒用量為1.0%時(shí)，油水分離濾紙的透氣度相比于僅用乳液浸漬的濾紙下降了7.7%?？梢?，超疏水納米SiO2顆粒在提高油水分離濾紙的油水分離效率的同時(shí)，還使油水分離濾紙保持了較好的耐破度和透氣度。

3 結(jié)論

以正硅酸乙酯 (TEOS)和甲基三乙氧基硅烷(MTES)為前驅(qū)體，采用溶膠-凝膠法制備出表面帶有疏水基團(tuán)甲基 (—CH3)的納米SiO2顆粒。將制備的納米SiO2顆粒與陽離子苯丙類乳液共混，浸漬濾紙制備出油水分離濾紙。并探究了不同的納米SiO2顆粒對(duì)油水分離濾紙的表面微觀結(jié)構(gòu)、靜態(tài)接觸角和油水分離效率的影響。

3.1 采用傅里葉變換紅外光譜儀對(duì)納米SiO2顆粒結(jié)構(gòu)分析表明，疏水—CH3基團(tuán)被成功引入納米SiO2顆粒表面。采用高分辨場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM)和JEM-2100F透射電子顯微鏡 (TEM)觀察納米SiO2顆粒的表面形貌表明，制備所得的納米SiO2顆粒呈規(guī)則的球形，且分散性良好。

3.2 當(dāng)TEOS的用量保持不變時(shí)，增加MTES的用量，納米SiO2顆粒涂層對(duì)水的靜態(tài)接觸角增大。當(dāng)MTES∶TEOS=1∶1時(shí)，所制備的納米SiO2顆粒的涂層對(duì)水的靜態(tài)接觸角達(dá)到最大值，為158.4°。

3.3 自制乳液與納米SiO2顆粒共混后浸漬濾紙以制備油水分離濾紙，除了能在濾紙纖維上包覆一層聚合物膜外，還可以在濾紙纖維表面嵌入納米SiO2顆粒。這與濾紙纖維本身的微米級(jí)層次結(jié)構(gòu)共同構(gòu)建形成微米-納米分級(jí)粗糙結(jié)構(gòu)。隨著納米SiO2顆粒用量增多，濾紙纖維表面的納米SiO2顆粒增多，改性后的濾紙對(duì)水的靜態(tài)接觸角增大，油水分離效率提高。

3.4 當(dāng)混合液中MTES與TEOS配比=4∶3的超疏水納米SiO2顆粒用量為1.0%時(shí)，所制備的油水分離濾紙對(duì)水的靜態(tài)接觸角達(dá)到148.4°，對(duì)不同油品 (十六烷、汽油、柴油、煤油)與水的混合液的分離效率分別為99.8%、99.6%、99.1%、98.4%，呈現(xiàn)出良好的油水分離性能。

3.5 隨著混合液中納米SiO2顆粒用量的增加，對(duì)油水分離濾紙的耐破度影響不大，而油水分離濾紙的透氣度略有下降?？梢?，超疏水納米SiO2顆粒在提高油水分離濾紙的油水分離效率的同時(shí)，還使油水分離濾紙保持了較好的耐破度和透氣度。