一种Janus型复合泡沫光热功能材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及公开一种Janus型复合泡沫光热功能材料及其制备方法和应用，即一侧超亲水/水下超疏油，另一侧疏水/超亲油。主要制备步骤如下：(1)光热功能层制备：通过涂覆法在多孔泡沫一侧先浸渍MXene纳米片，随后浸渍一层疏水复合屏蔽层以赋予MXene改性侧优异的疏水特性和抗氧化屏蔽作用；(2)Janus润湿性构筑：利用浸渍法在多孔泡沫的MXene改性对立侧负载亲水功能组分，以制得具有非对称润湿特性的Janus型MXene基复合泡沫光热功能材料。本发明专利技术首次提出制备Janus型的MXene基复合泡沫功能材料，其具有优异的光热转换性能和典型非对称润湿性，并表现出优异的原油吸附特性(吸附超过自身重量10倍以上)、抗氧化应用稳定性以及水中漂浮稳定性。漂浮稳定性。漂浮稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种Janus型复合泡沫光热功能材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于光热泡沫功能材料
，涉及公开一种Janus型复合泡沫光热功能材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]近年来，原油泄漏事故较为频繁，泄漏的原油不仅造成了严重的经济损失和资源浪费，而且还对海洋及周围的环境和生态都造成了极大破坏。因此，为了消除原油泄漏对生态环境与经济的影响，迫切需要一种快速高效的原油回收技术。就地燃烧、膜分离、化学驱散剂、撇油器、真空技术等传统的原油清理技术等往往存在效率低、易产生有毒副产物、处理时间较长等缺点。相比之下，吸附型油水分离材料由于其优异的储油能力、制备过程简单、节能等优点，成为了回收原油的理想选择材料之一。但是对于高粘度原油(粘度>1000mPa
·
s),因其高粘度导致在室温下流动性能极差，吸附材料对室温态原油吸附量非常低，无法实现原油的快速有效吸附回收。
[0003]前期研究表明，原油粘度会随着温度的升高而快速下降，这为构建有效多孔吸附材料回收高粘度原油提供了新思路。Song等人(Song Y.,et al.Advanced Materials,2021,33(36):e2100074)报道了一种铁磁性三聚氰胺海绵，其骨架涂有聚二甲基硅氧烷和立方氧化铁纳米颗粒,通过磁加热使多孔海绵周围的原油粘度降低，从而加快原油吸附。虽然这些海绵具有疏水多孔通道和较高的磁加热转换效率，但是制备工艺复杂，金属纳米颗粒容易脱落，循环重复利用性能较差。俞书宏院士(Ge J.,et al.,Nature Nanotechnology,2017,12(5):434
‑
440)利用焦耳效应使石墨烯包裹三聚氰胺海绵产热来对高粘度原油进行加热，使其粘度降低变成高度流动状态，从而被纳米吸附材料快速吸收。虽然可以利用焦耳效应来加热原油而降低其粘度，但其能耗仍然较高、在海水中应用容易存在安全隐患，这种原油吸附方式并不适用于大面积近海石油泄漏的实际处理情况。
[0004]相比之下，太阳能是一种绿色经济可再生能源，可通过光热转换功能材料直接吸收太阳能而输出热量来降低原油粘度，从而提高吸附材料的原油吸附容量。因此，具有光热转换效应的高孔隙率复合泡沫功能材料在处理高粘度原油方面是一种理想的选择。
[0005]目前，可用于光热转化的功能材料包括炭黑、碳纳米管、石墨烯、聚吡咯、聚多巴胺等。但是这些材料各自都存在一些缺点：比如，炭黑和聚吡咯与基材粘结性差，极易脱落；聚多巴胺涂层只能在紫外光和可见光区域内具有高吸收效率，而不能覆盖整个太阳光谱；碳纳米管和石墨烯呈现疏水性，在水中分散性差，需要额外的改性步骤。例如，专利CN111229168A公开了一种用石墨烯基材料回收高粘度泄漏原油的方法，通过浸渍法将氧化石墨烯负载在三聚氰胺海绵材料骨架上，再将氧化石墨烯还原成石墨烯，得到石墨烯基材料，通过光照将海面上泄漏原油温度升高，加入石墨烯材料吸附原油。但是石墨烯在水中的分散性差，造成加工性的降低，而且由于石墨烯高的比表面积，极易发生团聚，导致其片层间难分离，难以与其他材料进行有效复合。
[0006]为此很有必要开发制备出一种新型且具有良好光热转换特性的光热/电热功能材
料。MXene作为一种新型二维纳米材料，具有接近100％的光热转换效率、在紫外
‑
可见光
‑
近红外区域具有强光吸收、高比表面积、结构稳定性好、高亲水性高电热转换性能(焦耳效应)等优点。自2011年MXene被发现以来，已被广泛研究并用于超级电容器、锂离子电池、油水分离和重金属吸附等领域。
[0007]专利CN114452960A公开了一种光驱动吸油的MXene改性三聚氰胺海绵及其制备方法，作者将三聚氰胺海绵浸渍在由MXene、聚二甲基硅氧烷与有机溶剂组成的混合溶液中，然后将海绵改性液混合物转移至水热反应釜中于140
‑
150℃水热反应2
‑
3h，冷却至室温后取出海绵60
‑
70℃热固化处理4h。通过浸渍+水热处理+热固化的方式实现对三聚氰胺材料的疏水亲油改性。很显然，该方法制备工艺繁琐，水热反应的反应装置与反应条件要求都较高，增加了实际应用成本及运行难度。
[0008]Gong等人(Gong C.,et al.,Journal of Materials Chemistry A,2020,8,20162
‑
20167)利用多次浸渍法将MXene纳米片负载在聚氨酯海绵上，借助MXene的光热转换效应或焦耳效应降低原油粘度实现对泄漏原油的高效吸收。该方法制备工艺简单，但是MXene纳米片外侧没有屏蔽层保护，MXene极易脱落并发生氧化，实际应用稳定性能较差。同时，该吸附材料呈现疏水特性，故整体飘浮于水面，容易随波逐流、更容易因为风浪而发生翻转，漂浮稳定性差，进一步限制了其实际应用。可有效克服上述各种MXene基复合泡沫功能材料的弊端，具有非对称润湿性结构(赋予材料优异漂浮稳定性)，且能够高效吸收泄漏原油的多孔复合泡沫功能材料几乎从未见报道。

技术实现思路

[0009]鉴于上述现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种Janus型复合泡沫光热功能材料及其制备方法，旨在解决现有技术中多孔复合泡沫功能材料制备过程复杂、需要复杂反应装置和反应条件苛刻(高温或涉及有毒还原剂体系)；MXene负载不牢固，容易脱落和氧化，不能重复利用；水面漂浮稳定性差等棘手问题。
[0010]本专利技术的技术方案如下：
[0011]一种Janus型复合泡沫光热功能材料，包括多孔泡沫基体，在多孔泡沫预定高度外表面涂覆MXene纳米材料形成MXene改性层，在MXene改性层外表面包覆有机硅/氟硅疏水亲油层；多孔泡沫MXene未改性一侧外表面浸覆亲水组分形成亲水疏油层(具有亲水
‑
水下超疏油特性)。
[0012]一种Janus型复合泡沫光热功能材料的制备方法，包括以下步骤：
[0013](1)制备MXene纳米分散液，MXene为Ti3C2T
X
；
[0014](2)复合光热功能层制备：通过涂覆法将多孔泡沫一定高度比例部分先涂覆MXene纳米分散液并干燥处理，重复循环涂覆多次；然后将上述多孔泡沫MXene改性层部分再浸涂疏水功能材料溶液并经热处理固化成型，在MXene改性层表面形成疏水亲油功能层，可以用来吸附原油；
[0015](3)Janus润湿性改性：利用浸渍法将亲水功能组分与无机纳米颗粒协同负载在多孔泡沫MXene改性对立侧形成亲水疏油层(以获得超亲水润湿性,具有亲水/水下超疏油特性)，即可制得Janus型的MXene基复合泡沫功能材料(MXene改性侧为疏水亲油，MXene对立侧为亲水/水下超疏油)。
[0016]所述的Janus型复合泡沫光热功能材料的制备方法，其中，多孔泡沫为聚氨酯、三聚氰胺、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、酚醛树脂等泡沫中的一种；多孔本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种Janus型复合泡沫光热功能材料，其特征在于，包括多孔泡沫基体，在多孔泡沫预定高度外表面涂覆MXene纳米材料形成MXene改性层，在MXene改性层外表面包覆有机硅/氟硅疏水亲油层；多孔泡沫MXene未改性一侧外表面浸覆亲水组分形成亲水疏油层。2.一种Janus型复合泡沫光热功能材料的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：(1)制备MXene纳米分散液，MXene为Ti3C2T
X
；(2)复合光热功能层制备：通过涂覆法将多孔泡沫一定高度比例部分先负载MXene纳米片、干燥，重复循环涂覆多次；然后将上述MXene改性层再浸涂疏水有机硅或氟硅功能材料并经热处理固化成型，赋予MXene改性部分以疏水亲油性能；(3)Janus润湿性改性：利用浸渍法将亲水功能组分与无机纳米颗粒协同负载在多孔泡沫的MXene改性对立侧，即可制得Janus型的MXene基复合泡沫功能材料。3.根据权利要求2所述的Janus型复合泡沫光热功能材料的制备方法，其特征在于，多孔泡沫为聚氨酯、三聚氰胺、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、酚醛树脂泡沫中的一种；多孔泡沫的孔径为50
‑
1000μm，孔隙率为60
‑
99％；多孔泡沫的形状为立方体、圆柱体、圆锥体、球体中的一种或几种组合，体积为1cm3‑
1 m3。4.根据权利要求2所述的Janus型复合泡沫光热功能材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中MXene分散液的浓度为10
‑
20mg/ml，涂覆法为浸涂法和喷涂法中的一种或其组合；疏水功能材料包括疏水有机硅材料和疏水氟硅材料，所用疏水功能材料溶液为疏水功能材料和溶剂的混合溶液。5.根据权利要求2所述的Janus型复合泡沫光热功能材料的制备方法，其特征在于，其中浸涂法为：将多孔泡沫浸渍于MXene分散液中10
‑
30min，随后在常压烘箱中40～80℃干燥2～60min，干燥后冷却到室温，再重复上述浸涂
‑
干燥步骤，重复循环次数为1～5次；喷涂法为：采用喷笔将上述MXene均匀分散液喷涂到多孔泡沫骨架上，喷嘴口径为0.2～0.4mm，喷笔与泡沫材料距离...

【专利技术属性】
技术研发人员：张广法，韩文庆，闫业海，赵帅，高爱林，崔健，黎金忠，
申请(专利权)人：青岛科技大学，
类型：发明
国别省市：