韓超， 孔令通

（1.山西晉環(huán)科源環(huán)境資源科技有限公司， 太原 030024；2.中國石油天然氣股份有限公司上海銷售分公司， 上海 200122）

高吸油樹脂是目前吸油材料研究的熱點， 其中丙烯酸酯類的高吸油樹脂因其具有較高的吸油率、良好的油水選擇性和較強的貯油能力等性能優(yōu)勢而廣受關(guān)注［1］。 隨著單體碳鏈長度的增加， 樹脂對油品的親和性能也增強， 因此長鏈單體共聚成為該類材料的研究新方向［2］。 這種材料孔隙結(jié)構(gòu)并不發(fā)達(dá)， 比表面積相對較小， 這使得目前在合成高吸油樹脂的過程中會添加某些無機納米材料來增加樹脂的孔結(jié)構(gòu)， 以提高其吸油率［3］。 目前聚丙烯酸酯類高分子材料和無機納米材料復(fù)合研究已經(jīng)取得了不小的進(jìn)展， 陳靜等［4］將修飾過的碳納米管（CNTs）和聚氨酯－丙烯酸酯材料復(fù)合， 發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料在疏水性、 熱穩(wěn)定性和力學(xué)性能等方面均有顯著提高。王大程等［5］采用CNTs 和丙烯酸酯為主要組分制備一種復(fù)合相變膠囊， 發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料的熱力學(xué)性能得到明顯提升。 和單一組分的高分子材料相比， 無機材料的加入能使復(fù)合材料的機械性能得到一定的提升。 羅鋒［6］制備了包含聚甲基丙烯酸甲酯等3 種組分的復(fù)合材料， 并對其光催化性能及微波吸收性能進(jìn)行了評價。 上述研究均取得較好的效果。

多壁CNTs 是目前研究較多的一種碳納米材料， 該材料具有機械強度高、 導(dǎo)電導(dǎo)熱性高、 化學(xué)穩(wěn)定性高等優(yōu)點， 已在多個領(lǐng)域取得了廣泛的應(yīng)用， 例如生物傳感器的鍍膜材料［7］和固相萃取吸附劑［8］。 此外多壁CNTs 還具有低密度、 高孔隙率、三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和良好的疏水性能， 這也使得其在油水分離領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用［9－10］。 目前已經(jīng)有學(xué)者將CNTs 和有機材料進(jìn)行復(fù)合制備得到某些具有特殊性能的新型材料［11］， 但原始的CNTs 表面很難與有機組分很好地結(jié)合， 需要對其表面進(jìn)行活化， 以期能夠與有機組分很好地結(jié)合在一起［12］。

本研究將CNTs 與高分子吸油材料（PSES）進(jìn)行復(fù)合， 以期提高吸油樹脂材料的吸油性能。 采用懸浮聚合法合成以甲基丙烯酸十八酯（SMA）和甲基丙烯酸異辛酯（EHMA）為主要單體， 苯乙烯（St）為剛性單體的高吸油樹脂， 摻入一定量的表面官能團(tuán)經(jīng)過活化處理的多壁CNTs， 通過超聲使其均勻分散于有機相內(nèi)并緩慢聚合， 從而制備出復(fù)合吸油材料PSES－CNTs， 并考察其相關(guān)吸油性能。

1 材料與方法

1.1 原料與試劑

多壁CNTs， 化學(xué)純； SMA， 化學(xué)純； EHMA，化學(xué)純； St， 分析純； 聚乙烯醇（PVA）， 分析純；二乙烯基苯（DVB）， 分析純； 2，2－偶氮二異丁腈（AIBN）， 化學(xué)純； 汽油， 工業(yè)級； 柴油， 工業(yè)級；煤油， 工業(yè)級。 所使用的水均為去離子水。

1.2 復(fù)合材料PSES－CNTs 的制備

在進(jìn)行制備前， 試驗采用了前期工作中通過響應(yīng)面獲得的優(yōu)化工藝條件［2］。 為了活化CNTs 的表面使其官能團(tuán)化， 稱取一定量的CNTs 浸泡在濃硝酸中， 48 h 后取出抽濾， 對過濾得到的活化后的CNTs 用大量去離子水沖洗， 直至去離子水呈中性。然后放入150 ℃真空烘箱干燥24 h， 取出密封備用。

向四口燒瓶中加入100 mL 的去離子水和分散劑（PVA）， 低速攪拌12 h 后給水浴鍋升溫至85 ℃使PVA 充分溶解。 然后降溫至40 ℃以下， 取適量活化后的CNTs 加入到配制好的溶液（含有單體、引發(fā)劑（AIBN）、 交聯(lián)劑（DVB）等的混合物）中并將混合后的體系放入超聲設(shè)備中以20 kHz 的頻率分散30 min， 超聲過程結(jié)束后迅速將混合體系加入恒壓漏斗中， 提升轉(zhuǎn)速并逐滴將混合溶液滴入反應(yīng)器內(nèi)。 滴液結(jié)束后在低溫條件下恒溫0.5 h 后升溫，讓整個反應(yīng)體系分別在設(shè)定的溫度梯度下反應(yīng)8 h以上。 反應(yīng)結(jié)束后將生成物取出抽濾， 留下固體產(chǎn)物， 并用熱去離子水洗滌3～5 次， 放入80 ℃烘箱干燥12 h。 干燥結(jié)束后取出備用， 所得即為PSESCNTs 復(fù)合材料。 在后續(xù)的性能測試中主要考察PSES－CNTs 在純油和含油水樣中的吸油效果。

1.3 復(fù)合材料性狀表征

根據(jù)試驗需要對合成后的樣品進(jìn)行了表征， 主要包括： 傅里葉紅外光譜（FTIR， Tensor27 傅里葉紅外光譜儀）、 場發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM，SUPRA55 場發(fā)射掃描電鏡）、 熱重（TGA， HS－TGA－101 熱重分析儀）和接觸角測試（CA， L2004A1 接觸角測量儀）。 通過FTIR（以KBr 為背景）分析樹脂的分子構(gòu)成和官能團(tuán)構(gòu)成； 通過SEM 觀察材料的微觀結(jié)構(gòu)， 對比性能差異； 通過TGA 分析材料的熱力學(xué)性能， 確定材料的應(yīng)用環(huán)境條件； 通過CA 測試材料的疏水性能， 確定最佳的原料組成。

1.4 吸油性能測試

（1） 純油樣品采用重量法［13］進(jìn)行測試， 待測油品主要包括汽油、 柴油和煤油。 測試前先將3 種油置于3 個不同的容器中， 取適量合成的PSESCNTs 稱其質(zhì)量記為m1， 然后將其裝入濾紙袋中再次稱重記為m2， 稱重結(jié)束將裝有樹脂樣品的濾紙袋放入裝有待測油品的容器內(nèi)， 進(jìn)行吸收測試， 一段時間后取出濾紙袋， 先自然滴淌3 min， 接著用濾紙將濾紙袋表面的油擦拭干凈， 再次稱重記為m3， 通過下式計算樣品在該油品中的吸油率y。

（2） 含油水樣中的油品脫除測試使用實驗室自制的質(zhì)量濃度為50 mg／L 的含油水樣［14］。 通過對比樹脂吸收前后水樣中油品濃度的變化來計算其脫油率， 計算方法如下式所示：

式中： η 為含油水樣的脫油率， %； c1、 c2分別為吸收前、 后水樣中油品的質(zhì)量濃度， g／L。

1.5 分析方法

針對試驗合成的復(fù)合材料PSES－CNTs， 主要考察2 個性能指標(biāo)， 分別為純油樣品中的吸油率和含油水樣中的脫油率。 純油樣品中的吸油率通過將樣品放入固定的含油容器中， 分析其吸油前后的質(zhì)量變化來計算其吸油率。 含油水樣的脫油率是將樣品置于水樣中并通過攪拌裝置進(jìn)行攪拌， 在規(guī)定的時間內(nèi)取出樣品再利用正己烷萃?。贤夥止夤舛确y定吸油前后水樣中微量油含量變化。

2 結(jié)果與討論

2.1 CNTs 用量對樹脂吸收純油樣品的影響

考察CNTs 用量對復(fù)合材料吸油效果的影響，在3 種待測純油樣品中對合成后的材料進(jìn)行了飽和吸收測試， 結(jié)果如圖1 所示。

圖1 CNTs 用量對吸油率的影響Fig. 1 Effect of CNTs dosage on oil absorption rate

在CNTs 用量為0 時， 測得的吸油效果即為高吸油樹脂PSES 自身的吸油效果。 對于3 種油品來說， 隨著CNTs 用量的增加， 飽和吸油量呈現(xiàn)先驟降再增加最后減小的趨勢， CNTs 的用量過高或者過低都會對吸油效果產(chǎn)生負(fù)面作用， 分析其原因是CNTs 表面的活化官能團(tuán)數(shù)量有限， 與其復(fù)合的材料用量也有一定的界限。 由圖1 還可知， 當(dāng)CNTs用量為6 mg 時對汽油和柴油的吸收量均最高， 此時對煤油的吸收量略低于其用量為7 mg 時的效果，因此， 在此條件下復(fù)合材料能獲得最佳的吸油效果。 其他工藝條件的最優(yōu)化結(jié)果以及表征結(jié)果的對比樣品可參考文獻(xiàn)［8］。

2.2 PSES－CNTs 對含油水樣的脫除效果

CNTs 的加入不僅使復(fù)合材料在純油樣品吸收效果得到優(yōu)化， 而且提高了材料在含油水樣中的脫油表現(xiàn)， 試驗結(jié)果如表1 所示。 復(fù)合材料對汽油、柴油和煤油的水樣脫油率分別為98.89%、 66.24%和99.31%。 對于汽油和煤油都有理想的脫除效果，但是水樣中柴油脫除率相對較低， 對于柴油水樣的脫除效果還有待進(jìn)一步優(yōu)化。

表1 復(fù)合CNTs 及未復(fù)合CNTs 的吸油效果數(shù)據(jù)Tab. 1 Oil absorption effect of PSES-CNTs and CNTs

2.3 復(fù)合材料PSES－CNTs 的表征

2.3.1 傅里葉紅外光譜FTIR

PSES－CNTs 的紅外光譜如圖2 所示， 2 910 cm－1位置的特征峰為甲基中的C—H 伸縮振動， 1 720 cm－1特征峰代表著酯基明顯的特征峰， 1 450 cm－1特征峰代表著芳香環(huán)中的C==C， 697 cm-1特征峰表示苯環(huán)的伸縮振動， 未出現(xiàn)與脂肪鏈相連的雙鍵特征峰證明2 種單體成功聚合， 并且單體中的酯基結(jié)構(gòu)沒有被破壞， 由于使用的交聯(lián)劑為二乙烯基苯， 因此會含有苯環(huán)的峰， 對紅外譜圖的分析結(jié)果表明2 種單體在最優(yōu)化的條件下很好地交聯(lián)聚合在一起。 特征峰的位置和特征峰的強度與PSES 基本一致， 說明CNTs 嵌入樹脂材料的過程并未破壞樹脂的官能團(tuán)以及分子結(jié)構(gòu)， 復(fù)合材料保留了樹脂的高油水選擇性。

2.3.2 熱重曲線及失重速率曲線

對最優(yōu)化樣品進(jìn)行熱重分析， 根據(jù)測試結(jié)果分別繪制了熱重曲線（TGA）和失重速率曲線（DTG），結(jié)果如圖3 所示。

圖2 PSES 和PSES-CNTs 樣品紅外光譜Fig. 2 Infrared spectra of PSES sample（left） and PSES-CNTs sample（right）

從圖3 中TGA 曲線可以看出， 最優(yōu)化配方合成的樹脂在310 ℃時開始分解失重， 并在489 ℃以后質(zhì)量基本保持恒定（完全受熱分解）， 這2 個數(shù)據(jù)可以證明該樹脂具有較強的耐熱性能， 根據(jù)最終樹脂的應(yīng)用環(huán)境（水中油品的脫除）， 復(fù)合材料可以滿足多數(shù)的環(huán)境溫度條件。 從圖3 中DTG 曲線可以看出， 在425 ℃左右樹脂的失重速率最快， 表明此溫度最不利于樹脂的使用和保存。 因此， 根據(jù)這2條曲線可以得出樹脂的使用環(huán)境溫度不宜超過310℃， 且復(fù)合材料繼承了CNTs 較好的熱力學(xué)性能。

圖3 PSES-CNTs 的熱重和失重速率曲線Fig. 3 Thermogravimetric and weight loss rate curves of PSES-CNTs

2.3.3 掃描電子顯微鏡

在20 000 倍放大倍數(shù)下復(fù)合材料的表觀形貌如圖4 所示。 在添加了CNTs 后， 樹脂的表觀形貌呈現(xiàn)小球堆積的情況， 從堆積緊密程度上可以看出其孔徑結(jié)構(gòu)也有所不同。 隨著CNTs 用量的增加，小球由無序的堆積逐漸變?yōu)橛行虻那驙疃逊e， 粒徑也隨之減小且堆積均勻程度也變得更好。 從圖4 還可知， 在較低的CNTs 用量條件下， 小球的分散性更好， 堆積后的孔隙也更加發(fā)達(dá)， 有利于材料吸油過程的進(jìn)行。 隨著CNTs 用量提高， 材料開始團(tuán)聚， 在最佳用量6 mg 條件下已開始出現(xiàn)平整的材料表面， 這種趨勢并不利于復(fù)合材料對于油品的吸收， 因此應(yīng)該控制CNTs 的用量。

圖4 不同CNTs 用量下復(fù)合材料的SEM 照片F(xiàn)ig. 4 SEM photos of composite materials with different amounts of CNTs

2.3.4 接觸角測試

圖5 復(fù)合材料和純樹脂材料的接觸角對比Fig. 5 Comparison of contact angles between composite material and pure resin material

根據(jù)CNTs 用量以及合成后的表觀形態(tài)可知，該材料是一種以高吸油樹脂為主的內(nèi)嵌CNTs 的復(fù)合材料， 其與純樹脂材料的接觸角對比如圖5 所示。通過對比PSES－CNTs 和PSES（R1和R2分別代表經(jīng)響應(yīng)面優(yōu)化后的2 個樣品）的結(jié)果看， 復(fù)合材料的水油選擇性與純樹脂材料基本一致， 甚至優(yōu)于某些純樹脂， 復(fù)合材料PSES－CNTs 的接觸角為121.42°，證明其屬于強疏水材料［15］。 由此進(jìn)一步證明復(fù)合材料保留了高吸油樹脂材料的性能優(yōu)勢。

2.4 PSES－CNTs 溶脹性能測試

對于最終優(yōu)化的復(fù)合材料進(jìn)行溶脹性能測試，結(jié)果如圖6 所示。 4 個小球分別代表吸收了煤油、柴油和汽油之后的狀態(tài)以及原始狀態(tài)。 在未吸油之前復(fù)合材料小球粒徑較小， 在材料吸油達(dá)到飽和以后， 其粒徑會增大， 并且吸收了煤油的小球體積膨脹最為明顯， 柴油小球次之， 汽油小球最小， 但其體積均超過了原始復(fù)合材料的體積。 通過對比吸油率和小球的膨脹大小可知， 小球體積的膨脹大小和吸收油品的量并沒有直接的關(guān)系。 在含油水樣的測試中， 復(fù)合材料吸油后密度比水小， 漂浮在水面，易于回收。

圖6 復(fù)合材料吸油前后對比Fig. 6 Comparison of composite materials before and after oil absorption

3 結(jié)論

本研究采用SMA、 EHMA 和St 為主要合成單體， 利用懸浮聚合法將活化后的CNTs 與樹脂單體進(jìn)行復(fù)合制備， 成功制得復(fù)合吸油材料PSESCNTs。 對該材料的吸油性能進(jìn)行了測試， 結(jié)果表明該材料對汽油、 柴油和煤油純油樣品的吸油率分別為16.63、 18.54 和15.27 g／g； 含油水樣的脫油率分別為98.89%、 66.24%和99.31%； 添加CNTs并未破壞樹脂的分子結(jié)構(gòu)， 依然保留了樹脂良好的油水選擇性， 復(fù)合材料與水的接觸角為121.42°；復(fù)合材料同樣具有CNTs 良好的機械性能， 其耐受最高溫度為310 ℃。 丙烯酸酯類和無機材料復(fù)合具有一定的可行性， 且復(fù)合材料在含油廢水處理領(lǐng)域存在較大的研究空間。