超疏水透气二氧化硅/聚氨酯多孔膜用于持久防水和油水分离

DOI：10.1016/j.apsusc.2019.144837

具有多孔结构的电纺聚氨酯膜可用于防水和透气应用，但是，由于聚氨酯软段中的极性基团，水很容易渗透到膜中。通过将疏水性二氧化硅颗粒接枝到膜上以构造粗糙的表面和低能的表皮，可以提高聚氨酯膜的疏水性。用4,4'-亚甲基双（异氰酸苯基酯）对聚氨酯膜进行化学修饰以获得反应性基团，然后将其与（3-氨基丙基）三乙氧基硅烷偶联。之后，将处理过的膜添加到疏水性二氧化硅颗粒的制备溶液中。在此，颗粒构成了膜的粗糙表面，十六烷基三甲氧基硅烷使膜具有疏水性表皮。所得膜表现出显著的疏水性，在不同的水溶液中具有高水接触角（WCA）和低滑动角（SA）。在循环拉伸下，改性膜表现出持久的拒水性（WCA在152.7至154.9°之间变化，SA在5.0和6.5°之间波动）和高透气性（8.4 kg•m^-2•d^-1）。此外，疏水膜是超亲油的，并且对于各种油具有高渗透通量。在30个分离循环内，它可以有效分离（98.5％）二氯甲烷水混合物。

图1.超疏水SiO₂/PU膜的制备方案。

图2.图解说明了PU硬链段的化学改性。

图3.经不同处理的PU膜的FE-SEM图像：（a）未经处理，（b）接枝-NCO基团，（c）用APTES处理，（d）SiO₂聚集。

图4.（a）经不同处理的PU膜的EDS分析和（b）FTIR谱图：（Ⅰ）未经处理，（Ⅱ）接枝-NCO基团，（Ⅲ）APTES处理，（Ⅳ）SiO₂聚集。

图5.（a）经不同处理的PU膜的（b）N1s，（c）O1s和（d）Si2p的XPS全扫描光谱和高分辨率XPS光谱：（Ⅰ）未经处理，（Ⅱ）接枝-NCO基团，（Ⅲ）用APTES处理，（Ⅳ）SiO₂聚集。

图6.膜的疏水性。（a）WCA和（b）水滴在不同处理下在PU膜上的渗透照片：（Ⅰ）未经处理，（Ⅱ）接枝-NCO基团，（Ⅲ）用APTES处理，（Ⅳ）聚集SiO₂。

图7.（a）未经处理的PU膜，（b）未经处理的PU膜的单纤维，（c）SiO₂/PU膜和（d）SiO₂/PU膜的单纤维的AFM图像。

图8. SiO₂/PU膜的拒水性。（a）连续泵送中膜的疏水性照片。（b）置于膜上的不同水溶液的照片。（c）水，（d）盐溶液，（e）碱性溶液和（f）酸性溶液在由膜形成的斜坡上滑动的照片。

图9.（a）PU膜和SiO₂/PU膜的应力-应变曲线。（b）SiO₂/PU膜在60％应变循环拉伸下的应力-应变曲线。

图10.（a）具有不同拉伸循环的SiO₂/PU膜的WCA和SA。（b）说明通过APTES的偶联将疏水性SiO₂接枝到PU纤维上的示意图。

图11.具有不同拉伸循环的SiO₂/PU膜的FE-SEM图像：分别为（a）10，（b）20，（c）50。（d）描述拉伸后纤维表面破裂的示意图。

图12.（a）周期性拉伸下SiO₂/PU膜的平均孔径和孔隙率。（b）具有不同拉伸循环的膜的WVT和透气率。

图13.（a）SiO₂/PU膜的油接触角（二氯甲烷，2μL）。（b）膜对各种油的吸收能力。

图14.（a）用SiO₂/PU膜从二氯甲烷-水混合物中分离油的照片。（b）描述混合物膜分离的示意图。（c）在0.9 bar的驱动压力下膜的油通量。（d）在30个分离循环中膜对混合物的分离效率。