一种三维结构纳米复合智能海绵、制备方法及应用技术

一种三维结构纳米复合智能海绵、制备方法及应用，涉及新型功能材料技术领域。该三维结构纳米复合智能海绵能在外部光照下自动吸附有机溶剂或原油，呈三维多孔结构，由聚二甲基硅氧烷和纳米碳材料复合而成；纳米复合智能海绵中具有光热转化性能的纳米碳材料在吸收光照后加热聚二甲基硅氧烷，具有受热膨胀性能的聚二甲基硅氧烷在受热后发生膨胀形变，通过在光照下的光致变形以及升温对于待吸附原油的粘滞性降低的双重作用，该纳米复合智能海绵能产生吸附原油的能力；撤除光照后，纳米复合智能海绵恢复初始温度及形状，释放被吸附的原油。该智能复合海绵可以应用于吸附水相体系中油品或非极性有机溶剂领域，且吸附能力高，可以重复循环利用。

A three-dimensional nano composite intelligent sponge, its preparation method and Application

【技术实现步骤摘要】
一种三维结构纳米复合智能海绵、制备方法及应用
本专利技术涉及新型功能材料
，具体是涉及一种三维结构纳米复合智能海绵、制备方法及应用，适用于在水相体系中分离油品或非极性有机溶剂。
技术介绍
随着石油化工行业的快速发展，石油开采、炼制、油品运输等过程产生的大量油类或有机溶剂泄露对海洋生态环境造成了严重的破坏，因此探寻快速有效的清理手段是非常有必要的。机械清理法、生物法和化学法是三种最常用的溢油处理方法，机械清理法涉及使用设备和仪器，例如撇油器、回收船、围油栏和吸附材料等，以便于捕获和存储溢出的油或有机溶剂。生物法是指利用微生物来降解油组分，例如使用石油降解菌可以将石油烃类转化为脂肪酸、CO2、和H2O等小分子物质。这种方法虽然经济环保，但是处理量小，耗时长，并且在文献中显示去除油的效果并不好。化学法涉及使用分散剂、固化剂以及浮油的燃烧，这种方法不能回收原油，会造成资源的浪费，而且浮油的燃烧容易造成二次污染。因此，探寻新的吸附及回收的技术就显得尤为重要。近年来，智能材料的出现引起了广泛的关注。智能材料能感知外界刺激信号，通过材料自身的或外界的某种反馈机制，能够适时地将材料的一种或多种性质改变，作出所期望的某种响应的新型功能材料。智能材料感知的外部刺激信号包括光照、电能、温度、化学物质等。聚二甲基硅氧烷(PDMS)是一种环境友好，无污染，生物兼容性好的材料。由于其独特的性质，成为许多应用中的关键材料，具有的应用领域可包括可穿戴电子设备，电容传感器和防水膜等，其中特别关注的是具有压缩性和疏水性的三维多孔PDMS体系结构的合成。PDMS具有较高的热膨胀系数(CTE，266-310×10-6K-1)，因此温度升高后会发生体积膨胀变形。石墨烯和碳管作为新型的纳米结构碳材料，具有优异的光热转化性能，可以作为纳米填料均匀分布到三维多孔PDMS骨架中，形成三维结构的PDMS纳米复合海绵材料，合成的三维多孔的海绵具有柔韧性、多孔性、高比表面积、优异的传质性能等。由于太阳能自由分布广泛且不会枯竭，是一种理想的绿色能源，因此，采用PDMS-纳米碳材料复合材料作为一种油类或有机溶剂的吸附材料，实现其在光照下的吸油性能，是一项值得深入研究的课题。
技术实现思路
为解决现有技术中存在的上述问题，本专利技术提出了一种三维结构纳米复合智能海绵、制备方法及应用。为了实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案为：一种三维结构纳米复合智能海绵，呈三维多孔结构，由聚二甲基硅氧烷PDMS和纳米碳材料复合而成；纳米复合智能海绵中具有光热转化性能的纳米碳材料在吸收光照后加热聚二甲基硅氧烷PDMS，具有受热膨胀性能的聚二甲基硅氧烷PDMS在受热后发生膨胀形变，使得纳米复合智能海绵的内部孔洞结构变大，从而吸附原油，同时，周围待吸附的原油在受热下也会降低其粘滞性，从而提高智能海绵对于原油的吸附能力；因此，通过在光照下的光致变形以及升温对于待吸附原油的粘滞性降低的双重作用，该纳米复合智能海绵能产生吸附原油的能力；撤除光照后，纳米复合智能海绵恢复初始温度及形状，释放被吸附的原油。作为本专利技术纳米复合智能海绵的优选技术方案，其纳米碳材料优选为石墨烯和/或碳纳米管。光照条件为太阳光、氙灯光源或者红外光源，在光照下纳米复合智能海绵会升高温度，以及产生体积膨胀。一种制备三维结构纳米复合智能海绵的方法，步骤如下：步骤1：将PDMS预聚物、固化剂和纳米碳材料添加到玛瑙研钵中，通过研磨使其充分混合，将所得到的混合物放入真空室中抽气；所述纳米碳材料为石墨烯和/或碳纳米管；所述的PDMS预聚物和固化剂按照质量比为10：1进行配制，纳米碳材料的添加量为0.5～15％(依PDMS预聚物、固化剂和纳米碳材料总重量占比计)；步骤2：将混合均匀的复合材料倒入放有模板骨架的装置中，从底部抽气，使混合物充分渗进模板骨架的孔隙中；步骤3：将吸收混合物的模板骨架加热交联固化，然后将其放入热水中反复挤压使模板彻底溶解；最后经过烘干得到含有纳米碳材料的PDMS海绵，即纳米复合智能海绵。作为本专利技术纳米复合智能海绵制备方法的优选技术方案，步骤1中复合材料混合过程需经历>20min研磨，才能使其充分混合均匀；真空抽气时间为10～20min。步骤2中所述的模板骨架为可溶于水的白砂方糖或原蔗赤砂方糖。步骤3中智能海绵进行完全交联固化的温度为60～120℃。溶解模板的水温为80～100℃，为了保证模板充分去除，更换热水2～3次。纳米复合智能海绵的烘干温度为50～200℃。与现有技术相比，本专利技术的有益效果表现在：1)、本专利技术制备的智能复合海绵在光照下能产生机械变形，使得内部孔洞结构变大，从而提升吸附原油的能力。同时，智能复合海绵在光照下会升高温度，从而降低原油的粘滞性，进一步提升吸附原油的能力。该智能复合海绵通过光致变形和吸光升温的协同作用，从而使得该智能海绵吸附原油的能力得到提高；当光照停止后，智能海绵恢复到原有的形状和温度，从而释放出所吸附的原油。因此，该三维结构智能复合海绵可以应用于吸附水相体系中油品或非极性有机溶剂领域，且吸附能力高，可以重复循环利用。2)、本专利技术的制备方法合成工艺简便，易于工业化生产，合成工艺有效解决了PDMS在糖颗粒中均匀渗透困难和纳米填充物易脱落的缺陷。附图说明以下结合实施例和附图对本专利技术的作进一步的详述。图1是纳米复合智能海绵吸油的工作原理图。图2a、b分别为本专利技术实施例1、2获得的智能海绵的扫描电子显微镜照片。图3a、b分别为本专利技术实施例1、2获得的智能海绵对水的接触角图。具体实施方式本专利技术提出的一种三维结构纳米复合智能海绵，可以在光照下自动吸附有机溶剂或原油，呈三维多孔结构，由聚二甲基硅氧烷PDMS和纳米碳材料复合而成；纳米复合智能海绵中具有光热转化性能的纳米碳材料在吸收光照后加热聚二甲基硅氧烷PDMS，具有受热膨胀性能的聚二甲基硅氧烷PDMS在受热后发生膨胀形变，使得纳米复合智能海绵的内部孔洞结构变大，从而吸附原油，同时，周围待吸附的原油在受热下也会降低其粘滞性，从而提高智能海绵对于原油的吸附能力；因此，通过在光照下的光致变形以及升温对于待吸附原油的粘滞性降低的双重作用，该纳米复合智能海绵能产生吸附原油的能力；撤除光照后，纳米复合智能海绵恢复初始温度及形状，释放被吸附的原油。实施例1按10：1的重量比称取PDMS预聚物和固化剂共5.5g，放入玛瑙研钵中，加入石墨烯0.0280g(含量0.5％)研磨30min，使其充分混合均匀。将掺有石墨烯的PDMS混合物放入真空室中抽气10min。接着倒入放有白砂方糖的装置中，从底部抽气10min，混合物渗进白砂方糖的孔隙中。将吸收混合物的糖块在80℃条件下固化7h，得到石墨烯/PDMS/白砂方糖的固体混合物。最后将其放入80℃的热水中反复挤压使白砂方糖彻底溶解。50℃烘干后，得到掺有石墨烯的PDMS海绵。其微观结构通过扫描电子显微镜进行表征(如图2a所示)，制备了三维多本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种三维结构纳米复合智能海绵，其特征在于，该纳米复合智能海绵呈三维多孔结构，由聚二甲基硅氧烷PDMS和纳米碳材料复合而成；纳米复合智能海绵中具有光热转化性能的纳米碳材料在吸收光照后加热聚二甲基硅氧烷PDMS，具有受热膨胀性能的聚二甲基硅氧烷PDMS在受热后发生膨胀形变，使得纳米复合智能海绵的内部孔洞结构变大，从而吸附原油，同时，周围待吸附的原油在受热下也会降低其粘滞性，从而提高智能海绵对于原油的吸附能力；因此，通过在光照下的光致变形以及升温对于待吸附原油的粘滞性降低的双重作用，该纳米复合智能海绵能产生吸附原油的能力；撤除光照后，纳米复合智能海绵恢复初始温度及形状，释放被吸附的原油。/n

【技术特征摘要】
1.一种三维结构纳米复合智能海绵，其特征在于，该纳米复合智能海绵呈三维多孔结构，由聚二甲基硅氧烷PDMS和纳米碳材料复合而成；纳米复合智能海绵中具有光热转化性能的纳米碳材料在吸收光照后加热聚二甲基硅氧烷PDMS，具有受热膨胀性能的聚二甲基硅氧烷PDMS在受热后发生膨胀形变，使得纳米复合智能海绵的内部孔洞结构变大，从而吸附原油，同时，周围待吸附的原油在受热下也会降低其粘滞性，从而提高智能海绵对于原油的吸附能力；因此，通过在光照下的光致变形以及升温对于待吸附原油的粘滞性降低的双重作用，该纳米复合智能海绵能产生吸附原油的能力；撤除光照后，纳米复合智能海绵恢复初始温度及形状，释放被吸附的原油。


2.如权利要求1所述的纳米复合智能海绵，其特征在于，所述纳米碳材料为石墨烯和/或碳纳米管。


3.如权利要求1所述的纳米复合智能海绵，其特征在于，光照条件为太阳光、氙灯光源或者红外光源，在光照下纳米复合智能海绵会升高温度，以及产生体积膨胀。


4.一种制备如权利要求1所述三维结构纳米复合智能海绵的方法，其特征在于，步骤如下：
步骤1：将PDMS预聚物、固化剂和纳米碳材料添加到玛瑙研钵中，通过研磨使其充分混合，将所得到的混合物放入真空室中抽气；
所述纳米碳材料为石墨烯和/或碳纳米管；...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡颖，井壮，吴玉程，张伟，金珂，刘家琴，常龙飞，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34