CN106944016B - 一种pH响应性油水分离泡沫及其制备方法 - Google Patents

一种pH响应性油水分离泡沫及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种pH响应性油水分离泡沫及其制备方法。该油水分离泡沫以密胺泡沫为载体，表面接枝pH响应性聚合物聚4‑乙烯基吡啶，可实现pH响应性油水分离，通过改变pH值，水接触角在0~135°范围内可调。本发明响应性油水分离泡沫在pH值较低的溶液中展现出超亲水/超疏油性，在pH较高的溶液中展现为高疏水/超亲油性；同时，不仅可以用于油水分离，并快速释放吸附的油进行回收，还可以进行污水净化和微流道开关控制。本发明制备方法简单，成本低廉，适于工业化生产。

Description

一种pH响应性油水分离泡沫及其制备方法
技术领域
本发明属于多孔泡沫材料领域，具体涉及一种pH响应性油水分离泡沫及其制备方法。
背景技术
针对日益严峻的海上石油泄漏事故和工业有机试剂泄漏事故的发生，许多有效的泄漏处理也应运而生，例如化学处理法、控制燃烧法、微生物降解法和油吸收法。
油吸收法对于处理海上泄漏的石油，具有清除率高、能耗低、污染小以及成本低等优点。因此，相关科研工作者主要研究吸油材料的制备，尤其是三维吸油材料。三维吸油材料可以在石油泄漏地点直接进行石油吸附。当石油吸收后需要进行回收，传统的回收方式主要是蒸馏和挤压。然而，蒸馏对于低沸点轻质油吸收效率较高，对于高沸点重油难以回收，同时比较耗能；挤压虽然可以比较简单的回收油相，但仍然有不少的油残留在吸附剂上导致了二次污染(ACS Sustainable Chem. Eng. 2015, 3, 3012-3018)。
针对上述油回收的弊端，许多响应性的油水分离三维材料开始出现。pH响应性材料也进入了研究的范畴。pH响应性聚合物比较普遍，廉价易得。密胺泡沫是三维多孔材料的理想模板，其表面易于化学改性，且具有优异的弹性和阻燃性。本发明通过将pH响应性聚合物聚4-乙烯基吡啶以原子转移自由基的方式，将聚合接枝在密胺基泡沫表面，得到了pH响应性的三维油水分离泡沫。
发明内容
本发明目的在于提供一种pH响应性油水分离泡沫，该油水分离泡沫以密胺泡沫为载体，表面接枝聚4-乙烯基吡啶，具有pH快速响应。
本发明目的还在于提供所述一种pH响应性油水分离泡沫制备方法。
本发明通过如下技术方案实现。
一种pH响应性油水分离泡沫，以密胺泡沫为载体，表面接枝pH响应性聚合物聚4-乙烯基吡啶，可实现pH响应性油水分离，通过改变pH值，水接触角在0~135°范围内可调。
制备所述的一种pH响应性油水分离泡沫的方法，包括如下步骤：
（1）将密胺泡沫置于3-氨基丙基三甲氧基硅烷的甲苯溶液中，进行回流反应；反应结束后取出，甲苯反复洗涤，氮气烘干；
（2）将步骤（1）得到的泡沫浸渍于吡啶的二氯甲烷溶液中，在冰水浴下，逐滴滴加2-溴异丁酰溴，滴加完毕后继续在冰水浴进行反应，常温下再反应10~15小时；反应结束后取出，依次用二氯甲烷和丙酮反复洗涤，氮气氛下干燥；
（3）氮气气氛下，将步骤（2）得到的泡沫置于含有单体4-乙烯基吡啶的丁酮和异丙醇混合溶剂中，加入催化剂CuBr和配位剂五甲基二乙烯基三胺，进行反应；反应结束后取出，去离子水清洗，氮气氛下干燥，得到所述pH响应性油水分离泡沫。
进一步地，步骤（1）中，所述3-氨基丙基三甲氧基硅烷的甲苯溶液的质量浓度为1~10 %。
进一步地，步骤（1）中，所述回流反应的温度为110~115℃，反应的时间为1~10小时。
进一步地，步骤（1）中，所述甲苯反复洗涤的次数为3次。
进一步地，步骤（2）中，所述吡啶的二氯甲烷溶液中，吡啶的质量浓度为3.0%。
进一步地，步骤（2）中，所述2-溴异丁酰溴与密胺泡沫的质量比2:1~20:1。
进一步地，步骤（2）中，滴加完2-溴异丁酰溴后，继续在冰水浴下反应的时间为1小时。
进一步地，步骤（2）中，所述二氯甲烷和丙酮反复洗涤的次数为5次。
进一步地，步骤（3）中，所述含有单体4-乙烯基吡啶的丁酮和异丙醇混合溶剂中，丁酮和异丙醇的体积比为1:1，单体4-乙烯基吡啶的浓度为6.4-64 mg/mL。
进一步地，步骤（3）中，所述单体4-乙烯基吡啶与密胺泡沫的质量比10:1~30:1。
进一步地，步骤（3）中，所述催化剂CuBr的质量为4-乙烯基吡啶质量的2~6%。
进一步地，步骤（3）中，所述配位剂五甲基二乙烯基三胺的质量为4-乙烯基吡啶质量的15~25%。
进一步地，步骤（3）中，所述反应的温度为40~60℃，反应的时间为2~20小时。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
（1）本发明制备方法简单，成本低廉，适于工业化生产；
（2）本发明响应性油水分离泡沫在pH值较低（pH<4.5）的溶液中展现出超亲水/超疏油性，在pH较高（pH>4.5）的溶液中展现为高疏水/超亲油性；
（3）本发明响应性油水分离泡沫不仅可以用于油水分离，并快速释放吸附的油进行回收，还可以进行污水净化和微流道开关控制。
附图说明
图1为实施例1制备的pH响应性密胺基泡沫的扫描电镜图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
实施例1
（1）将16mg密胺泡沫置于含有200µL 3-氨基丙基三甲氧基硅烷的20mL甲苯溶液中，115℃下回流反应1h，用甲苯反复清洗三次，氮气氛围内烘干；
（2）得到的泡沫置于15mL无水二氯甲烷中（含3.0wt%无水吡啶），在0℃条件下，逐滴滴加86 µL 2-溴异丁酰溴引发剂，滴加完毕后继续冰水浴下反应1h，再置于常温反应12h；取出泡沫，用二氯甲烷和丙酮反复清洗5次，氮气氛围内干燥；
（3）氮气气氛下，将该泡沫置于含有0.32g单体4-乙烯基吡啶的5mL丁酮和异丙醇（丁酮：异丙醇体积比为1:1）溶液中，加入催化剂15mg CuBr和配位剂60mg五甲基二乙烯基三胺，50℃反应2h后取出泡沫，经过去离子水清洗，氮气氛围下干燥，得到了pH响应性的密胺基泡沫。
得到的pH响应性的密胺基泡沫的扫描电镜图如图1所示，由图1可知，密胺泡沫光滑的表面被覆盖大量的聚4-乙烯基吡啶，形成了粗糙的表面，表明pH响应性聚合物很好的固定在密胺泡沫表面形成了具有响应性的泡沫。
实施例2
（1）将16mg密胺泡沫置于含有450µL 3-氨基丙基三甲氧基硅烷的20mL甲苯溶液中，115℃下回流反应6h，用甲苯溶剂反复清洗三次，氮气氛围内烘干；
（2）得到的泡沫置于无水15mL二氯甲烷中（含3.0wt%无水吡啶），在0℃条件下，逐滴滴加17µL 2-溴异丁酰溴引发剂，滴加完毕后继续在冰水浴下反应1h，再置于常温反应12h；取出泡沫，用二氯甲烷和丙酮反复清洗5次，氮气氛围内干燥；
（3）氮气气氛下，将该泡沫置于含有0.16g单体4-乙烯基吡啶的10mL丁酮和异丙醇（丁酮：异丙醇体积比为1:1）溶液中，加入催化剂6mg CuBr和配位剂48mg五甲基二乙烯基三胺，40℃反应20h后取出该产品，经过去离子水清洗，氮气氛围下干燥，得到了pH响应性的密胺基泡沫。
得到的pH响应性的密胺基泡沫表面可参见图1。
实施例3
（1）将16mg密胺泡沫置于含有900µL 3-氨基丙基三甲氧基硅烷的20mL甲苯溶液中，115℃下回流反应4h，用甲苯溶剂反复清洗三次，氮气氛围内烘干；
（2）得到的泡沫置于无水15mL二氯甲烷中（含3.0wt%无水吡啶），在0℃条件下，逐滴滴加172µL 2-溴异丁酰溴引发剂，滴加完毕后继续在冰水浴下反应1h，再置于常温反应12h；取出泡沫，用二氯甲烷和丙酮反复清洗5次，氮气氛围内干燥；
（3）氮气气氛下，将该泡沫置于含有0.32g单体4-乙烯基吡啶的10mL丁酮和异丙醇（丁酮：异丙醇体积比为1:1）溶液中，加入催化剂19mg CuBr和配位剂80mg五甲基二乙烯基三胺，50℃反应10h后取出该产品，经过去离子水清洗，氮气氛围下干燥，得到了pH响应性的密胺基泡沫。
得到的pH响应性的密胺基泡沫表面可参见图1。
实施例4
（1）将16mg密胺泡沫置于含有1.5 mL 3-氨基丙基三甲氧基硅烷的20mL甲苯溶液中，115℃下回流反应8h，用甲苯溶剂反复清洗三次，氮气氛围内烘干；
（2）得到的泡沫置于无水15mL二氯甲烷中（含3.0wt%无水吡啶），在0℃条件下，逐滴滴加86µL 2-溴异丁酰溴引发剂，滴加完毕后继续在冰水浴下反应1h，再置于常温反应10h；取出泡沫，用二氯甲烷和丙酮反复清洗5次，氮气氛围内干燥；
（3）氮气气氛下，将该泡沫置于含有0.48g单体4-乙烯基吡啶的15mL丁酮和异丙醇（丁酮：异丙醇体积比为1:1）溶液中，加入催化剂19mg CuBr和配位剂80mg五甲基二乙烯基三胺，60℃反应15h后取出该产品，经过去离子水清洗，氮气氛围下干燥，得到了pH响应性的密胺基泡沫。
得到的pH响应性的密胺基泡沫表面可参见图1。
实施例5
（1）将16mg密胺泡沫置于含有2 mL 3-氨基丙基三甲氧基硅烷的20mL甲苯溶液中，115℃下回流反应10h，用甲苯溶剂反复清洗三次，氮气氛围内烘干；
（2）得到的泡沫置于无水15mL二氯甲烷中（含3.0wt%无水吡啶），在0℃条件下，逐滴滴加86µL 2-溴异丁酰溴引发剂，滴加完毕后继续在冰水浴下反应1h，再置于常温反应15h。取出泡沫，用二氯甲烷和丙酮反复清洗5次，氮气氛围内干燥；
（3）氮气气氛下，将该泡沫置于含有0.32g单体4-乙烯基吡啶的50mL丁酮和异丙醇（丁酮：异丙醇体积比为1:1）溶液中，加入催化剂15mg CuBr和配位剂60mg五甲基二乙烯基三胺，50℃反应20h后取出该产品，经过去离子水清洗，氮气氛围下干燥，得到了pH响应性的密胺基泡沫。
得到的pH响应性的密胺基泡沫表面可参见图1。
实施例1~5所得pH响应性密胺基泡沫的性能：当pH=1.0时，该泡沫处于亲水疏油的状态（其空气中的水接触角为0°）；当pH=7.0时，该泡沫处于亲油疏水的状态（其空气中的水接触角为135°）；当溶液pH>4.5时，该泡沫处于亲油疏水的状态，可以吸附溶液中不溶的油或有机物，当pH<4.5时，该泡沫处于亲水疏油的状态，可以将吸附的油或有机物快速的释放出来。这种油水分离和油的回收方式不仅不会损坏吸附剂的结构，而且避免造成空气的二次污染。

Claims (6)

1.一种pH响应性油水分离泡沫的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）将密胺泡沫置于3-氨基丙基三甲氧基硅烷的甲苯溶液中，进行回流反应；反应结束后取出，甲苯反复洗涤，氮气烘干；所述3-氨基丙基三甲氧基硅烷的甲苯溶液的质量浓度为1~10 %；所述回流反应的温度为110~115℃，反应的时间为1~10小时；
（2）将步骤（1）得到的泡沫浸渍于吡啶的二氯甲烷溶液中，在冰水浴下，逐滴滴加2-溴异丁酰溴，滴加完成后继续在冰水浴下进行反应，常温下再反应10~15小时；反应结束后取出，依次用二氯甲烷和丙酮反复洗涤，氮气氛下干燥；
（3）氮气气氛下，将步骤（2）得到的泡沫置于含有单体4-乙烯基吡啶的丁酮和异丙醇混合溶剂中，加入催化剂CuBr和配位剂五甲基二乙烯基三胺，进行反应；反应结束后取出，去离子水清洗，氮气氛下干燥，得到所述pH响应性油水分离泡沫；所述催化剂CuBr的质量为4-乙烯基吡啶质量的2~6%；所述配位剂五甲基二乙烯基三胺的质量为4-乙烯基吡啶质量的15~25%；所述反应的温度为40~60℃，反应的时间为2~20小时。
2.根据权利要求1所述的一种pH响应性油水分离泡沫的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述甲苯反复洗涤的次数为3次。
3.根据权利要求1所述的一种pH响应性油水分离泡沫的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，所述吡啶的二氯甲烷溶液中，吡啶的质量浓度为3.0%；所述2-溴异丁酰溴与密胺泡沫的质量比2:1~20:1。
4.根据权利要求1所述的一种pH响应性油水分离泡沫的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，滴加完2-溴异丁酰溴后，继续在冰水浴下反应的时间为1小时；所述二氯甲烷和丙酮反复洗涤的次数为5次。
5.根据权利要求1所述的一种pH响应性油水分离泡沫的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，所述含有单体4-乙烯基吡啶的丁酮和异丙醇混合溶剂中，丁酮和异丙醇的体积比为1:1，单体4-乙烯基吡啶的浓度为6.4-64 mg/mL；所述单体4-乙烯基吡啶与密胺泡沫的质量比10:1~30:1。
6.由权利要求1所述制备方法制得的一种pH响应性油水分离泡沫，其特征在于，以密胺泡沫为载体，表面接枝pH响应性聚合物聚4-乙烯基吡啶，可实现pH响应性油水分离，通过改变pH值，水接触角在0~135°范围内可调。
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Granted publication date: 20191018