一种制备亲水性材料的方法技术

本公开涉及一种制备亲水性材料的方法，包括在石墨材料表面形成聚合物涂层，其中聚合物涂层含有重均分子量或粘均分子量等于或大于约35000Da的PEG或PEO聚合物。本发明专利技术中的石墨材料可以是一种与传统的膜材料相比具有优异的化学、力学和电性能的碳纳米管薄膜。该亲水性石墨材料包含了PEG/PEO聚合物涂层，这种涂层增加石墨材料的亲水性。还公开了制备亲水性石墨材料的方法以及这种材料潜在的应用和用途。

A method for preparing hydrophilic materials

The present disclosure relates to a method for preparing hydrophilic materials, including the formation of a polymer coating on the surface of a graphite material, in which the polymer coating contains a PEG or a PEO polymer of equal weight equal to or greater than about 35000Da. The graphite material in the invention can be a carbon nanotube film with excellent chemical, mechanical and electrical properties compared with the traditional membrane material. The hydrophilic graphite material contains PEG/PEO polymer coating, which increases the hydrophilicity of graphite materials. Methods for preparing hydrophilic graphite materials and potential applications and uses of such materials are also disclosed.

【技术实现步骤摘要】
一种制备亲水性材料的方法
本公开涉及制备亲水性材料的方法，更具体地说，本公开涉及新型亲水性石墨材料，通过聚合物或分子对石墨材料的表面进行改性。聚合物或分子能有助于在邻接石墨材料表面处形成一有序的水层，从而显著提高石墨材料的亲水性。
技术介绍
纯净水是一项重要的资源。人口增长和工农业活动的扩大，正使得淡水越来越稀缺。与此同时，废水的产生、地表水和地下水的污染呈上升趋势。因此，业界内需要有去除水中的污染物的有效水处理方法和技术。膜过滤技术为去除水中污染物提供了有效的解决方法，但实现高渗透性、高选择性和抗污染能力仍是现有膜过滤技术面临的重大挑战。由微生物沉积和生长、化学腐蚀、天然有机材料和无机物结垢而导致的膜污染，对膜的性能产生负面影响，使得过滤通量下降、能源消耗增加、维护和运营成本上升。目前，水净化技术中最迫切需要的是开发污染物截留率高、生产率高、跨膜压力低和抗污染性能优异的过滤膜。大多数商业过滤膜是由疏水性高分子材料制成的。常用于微滤(MF)膜和超滤(UF)膜的材料有醋酸纤维素、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚丙烯腈(PAN)、聚丙烯、聚砜和聚醚砜(PES)。醋酸纤维素和聚酰胺材料主要用于纳滤(NF)和反渗透膜(RO)。每个聚合物在表面电荷、憎水程度和亲水程度、对pH值和氧化剂的耐受程度、机械强度和柔韧性方面都表现出不同的性质。例如，醋酸纤维素膜易于被微生物降解，其操作pH值范围窄，在4～8之间，而聚酰胺反渗透膜可在较宽的pH范围内使用，不易被微生物降解。膜材料是微滤、超滤、纳滤和反渗透工艺流程的核心。然而，聚合物材料的疏水性使得商品过滤膜容易受到污染。污染可能来源于无机化合物、颗粒物、微生物或有机物。因此，聚合物膜的过滤性能不可避免地随着时间的推移而下降。因此，很有必要开发新的过滤膜材料，以克服聚合物膜的缺点。将碳纳米管(CNT)粉末加入到聚合物中制备复合膜，已被证实可提高膜的亲水性和过滤通量。然而，在CNT粉末聚合物复合膜中，CNT随着时间的推移而损失还是一个关键问题。此外，由于具有憎水性，碳纳米管本身容易聚集和结团，使得在制备复合材料时碳纳米管难以均匀地分散到聚合物中。因此，有必要在高温下用强酸对CNT进行化学处理，例如，用浓硝酸和浓硫酸长时间回流，将亲水性的-OH和-COOH基团引入到CNT上，使得CNT变得较为亲水。然而，使用腐蚀性的强酸将-OH和-COOH基团引入到CNT表面，不利于减少对环境的影响，批量生产也比较困难。再者，控制碳纳米管上-OH和-COOH基团的引入量也是具有挑战性的。从根本上说，共价引入-OH和-COOH基团只能发生在CNT结构被破坏的时候，因此，共价官能化的CNT表面有较多的结构上的缺陷，这些缺陷将改变CNT的电子和力学性能。这些改变了的性能和结构缺陷常常促进而不是防止CNT表面的污染。目前人们已经开发了非共价键方法来解决共价修饰碳纳米管中所存在的问题。有一种方法是使用聚乙二醇单烷基醚。有人认为疏水性烷基优先与疏水性碳纳米管表面发生相互作用，使得亲水性的聚乙二醇链段靠近CNT的表面。由于亲水性的聚乙二醇链段的存在，使得所得到的CNT变得亲水。聚乙二醇聚合物链中的游离羟基可以进一步发生交联反应，从而形成更稳定的亲水层。然而，聚乙二醇烷基醚和交联体系的长期化学稳定性还是一个值得关注的问题。当交联的聚乙二醇在过滤膜中发生降解时，有机降解产物可以渗透到渗透液中。此外，聚乙二醇单烷基醚修饰的碳纳米管可能缺乏足够的亲水性以防止表面污染。另一种方法是使用表面活性剂如非离子型表面活性剂TritonX-100和离子型表面活性剂十二烷基硫酸钠(SDS)将CNT粉末分散而制得CNT聚合物复合膜。用表面活性剂分子来分散CNT粉末现已经成为人们所公知的技术。一般相信表面活性剂分子中的疏水性的烷基会优先与疏水性的CNT表面发生相互作用，从而使表面活性剂中亲水性的基团排列在CNT的表面。由于表面活性剂的亲水性基团的存在，所得到的这种碳纳米管变得更亲水。然而，在CNT表面的表面活性剂分子的长期稳定性仍存在疑问。表面活性剂分子溶于水和许多极性有机溶剂。在过滤过程中，吸附在CNT表面的表面活性剂分子可能会渗入到过滤液中。由于CNT粉末聚合物复合膜存在许多潜在的问题，CNT膜因此很可能成为比复合膜性能更优异的水过滤膜。最近，流动催化化学气相沉积法(FCCVD)使得制备大面积(例如1m×1m)CNT膜成为可能，这种大面积的CNT膜可以组装成用于微滤、超滤、纳滤和反渗透工艺中的螺旋过滤器。从反应器中生成的CNT膜，是由长长的纳米管束相互交错、相互编结而成的网络状结构，而在CNT粉末聚合物复合膜中的CNT则是以单个的或细小的聚集体的形式存在的尺寸在微米级别的纳米管颗粒。因此，CNT膜具有结构完整性，同CNT粉末复合膜相比，极大地改善了化学稳定性和力学强度。例如，CNT膜耐酸、耐碱，并且不溶于有机溶剂。在水过滤过程中，CNT膜中的碳纳米管也不太可能随时间而损失。然而，原始的CNT膜是疏水性的，因而具有非常低的透水性。疏水性也使碳纳米管膜在水过滤时容易产生表面污垢。现有提高CNT粉末的亲水性的方法(如强酸处理、表面活性剂的使用)都还有一些问题。为了使CNT膜成为有用的水过滤新材料，目前业界内仍有必要开发出改善CNT膜亲水性的新方法。
技术实现思路
专利技术目的：为了解决现有技术的不足，本专利技术提供了一种制备亲水性材料的方法。技术方案：一种制备亲水性材料的方法，包括在石墨材料表面形成聚合物涂层，其中聚合物涂层含有重均分子量或粘均分子量等于或大于约35000Da的PEG或PEO聚合物。在一些实施例中，其中聚合物是重均分子量或粘均分子量在约35000至约8000000Da之间的PEG或PEO。在一些实施例中，其中形成聚合物涂层的过程包括用PEG或PEO固体粉末或其混合物在60℃至150℃的温度范围内直接处理石墨材料。在一些实施例中，其中形成聚合物涂层的过程包括用PEG溶液、PEO溶液或它们混合物处理石墨材料、去除溶剂、在60℃至150℃的温度范围内加热石墨材料及在石墨材料上沉积的PEG或PEO聚合物。在一些实施例中，其中形成聚合物涂层的过程包括用PEG溶液、PEO溶液或它们混合物处理石墨材料、去除溶剂和随后在减压条件下加热石墨材料和在石墨材料上沉积的PEG或PEO聚合物。在一些实施例中，其中石墨材料是碳纳米管(CNT)薄膜、CNT布、CNT膜、CNT粉末、石墨烯片、石墨烯粉、或它们的任何组合。在一些实施例中，其中CNT薄膜由随机取向的、部分或全部定向的、水平定向的或垂直定向的碳纳米管组成。有益效果：本专利技术中的石墨材料可以是一种与传统的膜材料相比具有优异的化学、力学和电性能的碳纳米管薄膜。该亲水性石墨材料包含了PEG/PEO聚合物涂层，这种涂层增加石墨材料的亲水性。还公开了制备亲水性石墨材料的方法以及这种材料潜在的应用和用途。上面已大致概述了本公开的特征和技术优点，以便更好地理解下面的详细描述。在下文中还将说明本公开的其它特征和优点，这些特征和优点将构成本专利申请的权利要求书的内容。本领域技术人员应该理解，本公开提出的概念和具体实施例可以容易地用于改进或设计其它与本公开具有相同目的的实施例的基础。本领域技术人员还应该了解，这些本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种制备亲水性材料的方法，其特征在于：包括在石墨材料表面形成聚合物涂层，其中聚合物涂层含有重均分子量或粘均分子量等于或大于约35000Da的PEG或PEO聚合物。

【技术特征摘要】
1.一种制备亲水性材料的方法，其特征在于：包括在石墨材料表面形成聚合物涂层，其中聚合物涂层含有重均分子量或粘均分子量等于或大于约35000Da的PEG或PEO聚合物。2.根据权利要求9所述的制备亲水性材料的方法，其特征在于：其中聚合物是重均分子量或粘均分子量在约35000至约8000000Da之间的PEG或PEO。3.根据权利要求9-10中任何一条权利要求所述的制备亲水性材料的方法，其特征在于：其中形成聚合物涂层的过程包括用PEG或PEO固体粉末或其混合物在60℃至150℃的温度范围内直接处理石墨材料。4.根据权利要求9-10中任何一条权利要求所述的制备亲水性材料的方法，其特征在于：其中形成聚合物涂层的过程包括用PEG溶液、PEO溶液或它们混合物处理石墨材料、去除溶剂、...

【专利技术属性】
技术研发人员：李春红，
申请(专利权)人：江苏新四态水膜科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32