超疏水三维多孔聚合物基复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术属于超疏水材料领域，具体涉及一种超疏水三维多孔聚合物基复合材料及其制备方法。本发明专利技术提供一种多孔聚合物基材料，其原料及配比为：聚合物2～5重量份，无机纳米粒子0.01～0.2重量份，溶剂10～80重量份，非溶剂1～20重量份；并且，所述多孔聚合物基复合材料具有三维的微纳米复合结构。本发明专利技术所得三维多孔聚合物基复合材料由于具有微纳米复合结构，拥有优异的超疏水特性(材料任意横截面的水接触角＞150°)。

Super hydrophobic three-dimensional porous polymer matrix composite material and preparation method thereof

The invention belongs to the field of super hydrophobic materials, in particular to a super hydrophobic three-dimensional porous polymer matrix composite material and a preparation method thereof. The present invention provides a porous polymer materials, its raw material and mixture ratio: 2 to 5 parts by weight of polymer and inorganic nanoparticles from 0.01 to 0.2 parts by weight of solvent, 10 to 80 parts by weight of non solvent, 1 to 20 portions; and the porous polymer composites with micro nano three-dimensional structure. The three-dimensional porous polymer matrix composite has excellent super hydrophobic characteristics due to the micro nano composite structure (the water contact angle of the material at any cross section is > 150 degrees).

【技术实现步骤摘要】
超疏水三维多孔聚合物基复合材料及其制备方法
本专利技术属于超疏水材料领域，具体涉及一种超疏水三维多孔聚合物基复合材料及其制备方法。
技术介绍
随着全球工业的快速发展，各国对石油和化工产品的需求量呈现出急剧增长的趋势。与此同时，石油泄漏和工业有机物排放却对水资源和环境造成了严重的污染。因此，污水处理对人类的生产和生活具有非常重要的现实意义。传统油污治理的方法主要包括电化学、浮选、离心、过滤、重力分离和原位燃烧等，然而大部分上述方法由于用时较长、操作繁琐、费用昂贵、分离效率低等缺点在实际应用时受到很大限制。近年来，超疏水材料因其特殊的润湿性在油水分离领域展现出广阔的应用前景，备受国内外研究者的关注。其中，超疏水三维多孔聚合物基材料由于具有密度低、选择性好、吸附速率快、吸附容量高等优点，可以对油水混合物中的油进行高效的选择性分离，在众多超疏水材料中脱颖而出。受自然界中动植物超疏水现象的启发，国内外提出了各种各样的方法用以制备超疏水三维多孔聚合物基材料，常用方法包括模板法(JournalofMaterialsChemistryA,2015,3(34):17685-17696)、化学气相沉积法(TheJournalofTheTextileInstitute,2013,104(8):790-797)等。但是，这些方法大多工艺复杂、制备条件苛刻、所需设备和原料价格高昂，存在很大的局限性。相分离法常用于制备三维多孔聚合物材料，由于具有操作简单可控、无需复杂模板和设备、成本低廉等优点，在超疏水材料制备方面具有很大的应用潜力。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种简单的方法来制备超疏水三维多孔聚合物基复合材料，并且利用该方法制得的超疏水三维多孔聚合物基复合材料具有微纳米复合结构。本专利技术采用的技术方案：本专利技术要解决的第一个技术问题是提供一种多孔聚合物基复合材料，其原料及配比为：聚合物2～5重量份，无机纳米粒子0.01～0.2重量份，溶剂10～80重量份，非溶剂1～20重量份；并且，所述多孔聚合物基复合材料具有三维的微纳米复合结构。所述微纳米复合结构为：材料中同时含有微米尺度和纳米尺度的结构，微米尺度材料形貌是由珊瑚状粒子堆积而成，纳米尺度材料形貌表明珊瑚状粒子是由粗细不均、交错连接的纳米纤维网络构成。进一步，所述多孔聚合物基复合材料为超疏水材料，材料任意横截面的水接触角＞150°。更进一步，所述多孔聚合物基复合材料的水接触角为159～165°。进一步，所述多孔聚合物基复合材料为块状固体材料。所述聚合物为聚碳酸酯、聚乳酸(PLA)、聚丁二酸丁二醇酯(PBS)、聚羟基丁酸酯(PHB)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚苯乙烯(PS)或聚偏氟乙烯(PVDF)中的一种。所述无机纳米粒子为碳纳米管或石墨烯中的至少一种。所述溶剂为四氢呋喃、甲苯、二甲苯、二氧六环、二氯甲烷、N,N-二甲基甲酰胺或三氯甲烷中的一种。所述非溶剂为去离子水、甲醇、乙醇、环己烷或丙酮中的一种。优选的，所述聚合物为聚碳酸酯，无机纳米粒子为碳纳米管，溶剂为四氢呋喃，非溶剂为去离子水。优选的，所述多孔聚合物基复合材料的原料及配比为：聚碳酸酯︰碳纳米管︰四氢呋喃︰去离子水＝2.8重量份︰0.028～0.112重量份︰35.6重量份︰2.7重量份。优选的，所述聚碳酸酯为双酚A型聚碳酸酯(PC)，碳纳米管为多壁碳纳米管。更优选的，所述多壁碳纳米管为羧基化多壁碳纳米管(OMWNTs)。优选的，所述聚合物为聚碳酸酯，无机纳米粒子为石墨烯，溶剂为四氢呋喃，非溶剂为去离子水。优选的，所述多孔聚合物基复合材料的原料及配比为：聚碳酸酯︰石墨烯︰四氢呋喃︰去离子水＝3.5重量份︰0.017～0.105重量份︰44.5重量份︰3重量份。优选的，所述聚碳酸酯为双酚A型聚碳酸酯(PC)，石墨烯为还原氧化石墨烯(RGO)。本专利技术要解决的第二个技术问题是提供上述多孔聚合物基复合材料的制备方法，将聚合物、无机纳米粒子、溶剂和非溶剂通过非溶剂诱导相分离和热诱导相分离相结合的方法制备得到多孔聚合物基复合材料。进一步，上述多孔聚合物基复合材料的制备方法包括如下步骤：a、混合溶液制备：将无机纳米粒子和聚合物在溶剂中充分混合，得到无机纳米粒子均匀分散的聚合物溶液；b、相分离：将非溶剂逐滴加入步骤a所得混合溶液中，然后将获得的溶液置于低温环境(-30～10℃)中直至完成相分离；c、残余溶剂去除：将步骤b所得相分离后固体产物浸泡在水中，至残余溶剂被水完全置换；d、冷冻干燥：将步骤c得到的固体材料进行冷冻干燥，即可获得超疏水三维多孔聚合物基复合材料。进一步，上述超疏水三维多孔聚合物基复合材料的制备方法中，步骤a混合溶液的制备方法为：先将无机纳米粒子加入到溶剂中进行超声分散处理得到无机纳米粒子分散液；然后在无机纳米粒子分散液中加入聚合物，加热搅拌条件下使聚合物完全溶解，即得到步骤a所述混合溶液；其中，加热温度低于溶剂的沸点。进一步，上述超疏水三维多孔聚合物基复合材料的制备方法中，步骤b相分离方法为：将步骤a制得的混合溶液冷却至室温，在磁力搅拌条件下将非溶剂逐滴加入混合溶液，然后将得到的溶液置于-30～10℃直至完成相分离。具体的，当聚合物为双酚A型聚碳酸酯，无机纳米粒子为羧基化多壁碳纳米管，溶剂为四氢呋喃，非溶剂为去离子水时，步骤a混合溶液制备和步骤b相分离方法为：首先将羧基化多壁碳纳米管加入到四氢呋喃中超声分散处理10～60min得碳纳米管分散液，在碳纳米管分散液中加入双酚A型聚碳酸酯，加热搅拌30～100min至其完全溶解，得到步骤a中的混合溶液；其中，加热温度低于65℃(四氢呋喃的沸点温度)；然后将步骤a制得的混合溶液冷却至室温，磁力搅拌条件下逐滴加入去离子水，将得到的溶液置于-30～10℃环境中恒温12～36h。进一步，上述超疏水三维多孔聚合物基复合材料的制备方法中，步骤c中残余溶剂去除过程为浸泡3～5天，每天更换3次水。更进一步，上述超疏水三维多孔聚合物基复合材料的制备方法中，步骤d中冷冻干燥条件为低温低压，温度为-10～-100℃，真空度为0.1～1Pa，时间为48～96h。本专利技术要解决的第三个技术问题是提供一种提高多孔聚合物基材料疏水性能的方法，即在以聚合物、溶剂和非溶剂为原料通过非溶剂诱导相分离和热诱导相分离相结合的方法制备多孔聚合物基材料时，添加无机纳米粒子；其中，各原料的重量配比为：聚合物2～5重量份，无机纳米粒子0.01～0.2重量份，溶剂10～80重量份，非溶剂1～20重量份。进一步，所述提高多孔聚合物基材料疏水性能的方法包括如下步骤：a、混合溶液制备：将无机纳米粒子和聚合物在溶剂中充分混合，得到无机纳米粒子均匀分散的聚合物溶液；b、相分离：将非溶剂逐滴加入步骤a所得混合溶液中，然后将获得的溶液置于-30～10℃环境中直至完成相分离；c、残余溶剂去除：将步骤b所得相分离后固体产物浸泡在水中，至残余溶剂被水完全置换；d、冷冻干燥：将步骤c得到的固体材料进行冷冻干燥，即可获得超疏水三维多孔聚合物基复合材料。本专利技术的有益效果：1、本专利技术所得三维多孔聚合物基复合材料由于具有微纳米复合结构，拥有优异的超疏水特性(材料任意横截面的水接触角＞150°)。2、本专利技术方法工艺简单、无需复杂设备和模板、效本文档来自技高网...

【技术保护点】
多孔聚合物基复合材料，其特征在于，其原料及配比为：聚合物2～5重量份，无机纳米粒子0.01～0.2重量份，溶剂10～80重量份，非溶剂1～20重量份；并且，所述多孔聚合物基复合材料具有三维的微纳米复合结构。

【技术特征摘要】
1.多孔聚合物基复合材料，其特征在于，其原料及配比为：聚合物2～5重量份，无机纳米粒子0.01～0.2重量份，溶剂10～80重量份，非溶剂1～20重量份；并且，所述多孔聚合物基复合材料具有三维的微纳米复合结构。2.根据权利要求1所述多孔聚合物基复合材料，其特征在于，所述多孔聚合物基复合材料为超疏水材料，材料任意横截面的水接触角＞150°；优选为159～165°。3.根据权利要求1或2所述多孔聚合物基复合材料，其特征在于，所述多孔聚合物基复合材料为块状固体材料。4.根据权利要求1～3任一项所述多孔聚合物基复合材料，其特征在于，所述聚合物为聚碳酸酯、聚乳酸、聚丁二酸丁二醇酯、聚羟基丁酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯或聚偏氟乙烯中的一种；或：所述无机纳米粒子为碳纳米管或石墨烯中的至少一种；或：所述溶剂为四氢呋喃、甲苯、二甲苯、二氧六环、二氯甲烷、N,N-二甲基甲酰胺或三氯甲烷中的一种；或：所述非溶剂为去离子水、甲醇、乙醇、环己烷或丙酮中的一种。5.根据权利要求4所述多孔聚合物基复合材料，其特征在于，所述聚合物为聚碳酸酯，无机纳米粒子为碳纳米管或石墨烯，溶剂为四氢呋喃，非溶剂为去离子水；优选的，所述聚碳酸酯为双酚A型聚碳酸酯，所述碳纳米管为羧基化多壁碳纳米管，所述石墨烯为还原氧化石墨烯；进一步，所述多孔聚合物基复合材料的原料及配比为：聚碳酸酯︰碳纳米管︰四氢呋喃︰去离子水＝2.8重量份︰0.028～0.112重量份︰35.6重量份︰2.7重量份；或：所述多孔聚合物基复合材料的原料及配比为：聚碳酸酯︰石墨烯︰四氢呋喃︰去离子水＝3.5重量份︰0.017～0.105重量份︰44.5重量份︰3重量份。6.权利要求1～5任一项所述多孔聚合物基复合材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法为：将聚合物、无机纳米粒子、溶剂和非溶剂通过非溶剂诱导相分离和热诱导相分离相结合的方法制备得到多孔聚合物基复合材料。7.根据权利要求6所述多孔聚合物基复合材料的制备方法，其特征在于，所述多孔聚合物基复合材料的制备方法包括如下步骤：a、混合溶液制备：将无机纳米粒子和聚合物在溶剂中充分混合，得到无机纳米粒子均匀分散的聚合物溶液；b、相分离：将非溶剂逐滴加入步骤a所得混合溶液中，然后将获得的溶液置于-30～10℃中直至完成相分离；c、残余溶剂去除：将步骤b所得相分离后固体产物浸泡在水中，至...

【专利技术属性】
技术研发人员：王波，李真真，王迎珂，王金喊，任宇飞，轩朝阳，刘春太，
申请(专利权)人：郑州大学，
类型：发明
国别省市：河南,41