超疏水透氣二氧化硅/聚氨酯多孔膜用于持久防水和油水分離

DOI：10.1016/j.apsusc.2019.144837

具有多孔結構的電紡聚氨酯膜可用于防水和透氣應用，但是，由于聚氨酯軟段中的極性基團，水很容易滲透到膜中。通過將疏水性二氧化硅顆粒接枝到膜上以構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'-亞甲基雙（異氰酸苯基酯）對聚氨酯膜進行化學修飾以獲得反應性基團，然后將其與（3-氨基丙基）三乙氧基硅烷偶聯。之后，將處理過的膜添加到疏水性二氧化硅顆粒的制備溶液中。在此，顆粒構成了膜的粗糙表面，十六烷基三甲氧基硅烷使膜具有疏水性表皮。所得膜表現出顯著的疏水性，在不同的水溶液中具有高水接觸角（WCA）和低滑動角（SA）。在循環拉伸下，改性膜表現出持久的拒水性（WCA在152.7至154.9°之間變化，SA在5.0和6.5°之間波動）和高透氣性（8.4 kg?m^-2?d^-1）。此外，疏水膜是超親油的，并且對于各種油具有高滲透通量。在30個分離循環內，它可以有效分離（98.5％）二氯甲烷水混合物。

圖1.超疏水SiO₂/PU膜的制備方案。

圖2.圖解說明了PU硬鏈段的化學改性。

圖3.經不同處理的PU膜的FE-SEM圖像：（a）未經處理，（b）接枝-NCO基團，（c）用APTES處理，（d）SiO₂聚集。

圖4.（a）經不同處理的PU膜的EDS分析和（b）FTIR譜圖：（Ⅰ）未經處理，（Ⅱ）接枝-NCO基團，（Ⅲ）APTES處理，（Ⅳ）SiO₂聚集。

圖5.（a）經不同處理的PU膜的（b）N1s，（c）O1s和（d）Si2p的XPS全掃描光譜和高分辨率XPS光譜：（Ⅰ）未經處理，（Ⅱ）接枝-NCO基團，（Ⅲ）用APTES處理，（Ⅳ）SiO₂聚集。

圖6.膜的疏水性。（a）WCA和（b）水滴在不同處理下在PU膜上的滲透照片：（Ⅰ）未經處理，（Ⅱ）接枝-NCO基團，（Ⅲ）用APTES處理，（Ⅳ）聚集SiO₂。

圖7.（a）未經處理的PU膜，（b）未經處理的PU膜的單纖維，（c）SiO₂/PU膜和（d）SiO₂/PU膜的單纖維的AFM圖像。

圖8. SiO₂/PU膜的拒水性。（a）連續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）鹽溶液，（e）堿性溶液和（f）酸性溶液在由膜形成的斜坡上滑動的照片。

圖9.（a）PU膜和SiO₂/PU膜的應力-應變曲線。（b）SiO₂/PU膜在60％應變循環拉伸下的應力-應變曲線。

圖10.（a）具有不同拉伸循環的SiO₂/PU膜的WCA和SA。（b）說明通過APTES的偶聯將疏水性SiO₂接枝到PU纖維上的示意圖。

圖11.具有不同拉伸循環的SiO₂/PU膜的FE-SEM圖像：分別為（a）10，（b）20，（c）50。（d）描述拉伸后纖維表面破裂的示意圖。

圖12.（a）周期性拉伸下SiO₂/PU膜的平均孔徑和孔隙率。（b）具有不同拉伸循環的膜的WVT和透氣率。

圖13.（a）SiO₂/PU膜的油接觸角（二氯甲烷，2μL）。（b）膜對各種油的吸收能力。

圖14.（a）用SiO₂/PU膜從二氯甲烷-水混合物中分離油的照片。（b）描述混合物膜分離的示意圖。（c）在0.9 bar的驅動壓力下膜的油通量。（d）在30個分離循環中膜對混合物的分離效率。