论文总字数：15997字

摘 要

本次研究所得到的材料其原料大致有两个，分别为凹凸棒和聚氨酯。首先本文介绍了凹凸棒，对凹凸棒的结构和性质作了相关阐述。之后又列举了凹凸棒在工业方面的应用。然后就介绍了聚氨酯，和凹凸棒类似，先对聚氨酯的结构和性质作了相关描述然后又罗列了聚氨酯在工业方面的应用。接下来就是本文的研究重点油水分离材料。从制备的角度出发将油水分离材料分为无机类和高分子类。而无机类又分为两种，高分子类又分为三种（在这里就不详细陈述）。而且还对每一类材料进行比较和分析。之后就引出本次重点要论述材料PU基油水分离材料并阐述了PU基油水分离材料的优势。最后提出利用具有优良吸附性能的凹凸棒来制备出更具有优良性能的PU基油水分离材料。

关键词：凹凸棒 聚氨酯 油水分离 PU基油水分离材料

Preparation and characterization of attapulgite / polyurethane porous materials by adsorption method

ABSTRACT

The materials obtained in this study have roughly two raw materials, which are attapulgite and polyurethane. Firstly, this paper introduces the structure and properties of attapulgite. Then the industrial application of attapulgite was listed. Then we introduce polyurethane, similar to attapulgite, first describe the structure and properties of polyurethane, then list the application of polyurethane in industry. The following is the research focus on oil-water separation materials. From the point of view of preparation, oil-water separation materials are divided into inorganic and polymer classes. There are two kinds of inorganic and three kinds of polymer. and also compare and analyze each class of materials. After that, this paper mainly discusses the material polyurethane-based oil-water separation materials and expounds the advantages of polyurethane-based oil-water separation materials. Finally, polyurethane-based oil-water separation materials with excellent adsorption properties were prepared by using attapulgite.

Keywords: attapulgite; polyurethane; oil-water separation; pu base oil-water separation material

目录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1引言 1

1.2 凹凸棒在各行业中的应用 2

1.3 聚氨酯 2

1.4 聚氨酯在各行业中的应用 3

1.5 油水分离材料 4

1.6以无机材料制备的油水分离材料 4

1.6.1油水分离金属泡沫材料 4

1.7以高分子材料制备的油水分离材料 6

1.8 PU基油水分离材料 7

1.9 总结 9

第二章实验部分 9

2.1原料及设备 9

2.2氧化石墨烯的制备 10

2.3凹凸棒的预处理 10

2.4凹凸棒/聚氨酯多孔材料的制备 11

2.5表征方法 12

第三章实验结果与分析 12

3.1凹凸棒/聚氨酯多孔材料结构分析 12

3.2凹凸棒/聚氨酯多孔材料性能测试 13

第四章结论 14

参考文献 15

致谢 17

第一章 绪论

1.1引言

通过资料我们可以了解到有一种水合镁硅酸盐矿叫做凹凸棒。它的结构非常独特是一种具链层状结构。它的结构属2:1型粘土矿体。

这种水合镁铝硅酸盐矿体，它的结构可以说是非常奇特，其中晶格置换，还有啊在它的晶体结构中含有非定量的三化合价铁离子，钙离子，钠离子和铝离子也是它的晶体结构的特性之一，结晶呈现纤维集合状，纤维状或针状。结构决定性能。凹凸棒独特结构给它带来很多独特的物理属性。这其中就有抗盐腐蚀属性、抗碱腐蚀属性、高温环境下耐高温属性性、优良的分散属性等杰出的胶体属性和优良的吸附属性和脱色属性，而且它还是一种中间结构，这种结构是属于过渡在链状结构和层状结构之间的一种结构。通过资料我们可以了解到土状和块状且致密是凹凸棒的形状属性的表征，而且一般在沉积岩和风化壳中才能看到这种矿物的身影。青灰，灰绿，白，灰白都是凹凸棒的颜色表征。凹凸棒粘土质细致油滑，其结构本身很脆，质量很轻，如果结构中有缺口的话那么就是有贝壳形状的缺口或者是参差形状的缺口，而且它还有优良的吸水性属性。凹凸棒潮湿和干燥时的性质是不同的。它潮湿的时候有粘性质和可塑性质，它干燥后在水的环境中有水浸入时会崩散，其结构还会出现较小的显裂纹，除此之外它的悬浮液在遇到电介质物质是不会产生絮凝沉淀。结合资料我们可以了解到这种矿物奇特的结晶结构给它本身带来很多特殊的物理化学及工艺学性能。比如吸水性、吸附性还有大表面积。通过资料可以看到在水处理领域涌现出越来越多凹凸棒和它的改性材料的身影。目前对于凹凸棒的研究主要集中于凹凸棒改性，如用镧改性凹凸棒吸附磷酸盐可提高它的再生效率^[6]，采用铁酸钴制成的凹凸棒基磁性复合材料可提高它的对水溶液中Cu( II)和氯酚的吸附性^[7]。所以综上所述凹凸棒作为吸附材料它的价值和潜力可以说是非常巨大的。

1.2 凹凸棒在各行业中的应用

1.2.1轻工业的应用

通过资料可以了解到在轻工业领域可以看到凹凸棒身影，在传统的揉中用的是苏打，而现在工艺一般用凹凸棒。因为非常贵这种工艺改良可节约三成红砒的用量，节约了大量的成本。不仅如此工艺改进后革的揉制时间在原来的基础上减少了2个小时，在改良工艺下揉出的革不但弹性很强外形美观好而且质地柔软；这种革不仅可以作为橡胶用的填料还用于皮鞋底用的填料，以此来增强皮鞋的透气除臭的能力。现在香型塑料花也可以用凹凸棒来做。这种花无论从保香时间还质地外观它都有极大的优势。更重要的是它成本低廉还不易产生破裂。现在造纸行业在轻工业也算重要的一把交椅。在造纸工艺中纸张的加填还有涂布颜料也可以看到凹凸棒的身影，这种由凹凸棒制做材料可以作为凹版印刷主要用料，并且可用于无论是涂布纸和颜料还是胶印和涂布纸板都用到这种材料，在传统的造纸工艺用的大都是酸式造纸法而现代工艺慢慢向碱性造纸改变，所以在这种背景推动下凹凸棒的需求量将会越来越大。

1.2.2 纺织业中的应用

根据资料我们可以了解到在纺织业方面染料用的悬浮剂填料的制作原料也可以是凹凸棒，这种工艺制作出来的染料无论色彩和上色力还是生产成本和耐擦洗都不俗的优势，除此之外纺织用的涂布刮浆和印花糊料也可以用凹凸棒来做。凹凸棒糊料制作的印制产品无论在质量上和色牢度上还是色深上和印染成本上都有无可比拟的优势。

1.3 聚氨酯

对于一般人来说聚氨酯这个词可能不太了解但说PU大家就知道了。PU学名为聚氨基甲酸酯也就是我们常说的聚氨酯。它是一种聚合物。在它的分子结构中含有许多以聚氨基甲酸酯基团作为基本重复单元的结构。根据资料可以了解到在学术上硬质聚氨酯和软质聚氨酯是聚氨酯（PU）的主要分类。软质聚氨酯首先它是一种热塑性材料，再者线性结构是它的结构表征，这种结构给聚氨酯带来了优良的性能，无论是它的回弹性能和它的耐化学性能还是它的稳定性和它的力学性能与PVC发泡材料相比有无与伦比的优势。除此之外这种材料还有优良的隔热隔音性，它可以应用在建筑领域、汽车领域、航空工业领域、用作主要的具有保温隔热性能的结构材料。它的弹性体因为其优良性能可以作为制鞋工业和医疗业主要原料。

1.4 聚氨酯在各行业中的应用

1.4.1建筑行业

因为聚氨酯无论是结构和产品寿命还是施工效率、耐火品级和综合造都有非常大的优势，所以聚氨酯硬泡在建筑领域未尝不失为一种原来的保温材料。^[8] 近年来我国基础设施建设高速发展特别是轨道交通和高速铁路，所以在这种时代背景下具有优良性能的聚氨酯防水涂料将会有无与伦比的发展潜力和价值。^[8] 当前聚氨酯在我国建筑领域消耗量占总消耗量的2成而国外是3成。所以由此判断，具有优良性能的聚氨酯硬泡将会有无与伦比的发展潜力和价值。^[8] 

1.4.2家电行业

通过资料我们可以知道在家电领域可以看到聚氨酯硬质泡沫的身影。而且它是作为一种隔热材料的身份存在。比如它就可以作为冰柜和冰箱主要隔热材料，这种材料不仅能够有效增加冰箱、冰柜的内部容量且不改变原有体积还达到使外部壳体材料比原来更轻隔热性能更加优良的目的。大大节约生产能耗。现在的时代大主题是环保可持续性能优良且环保的聚氨酯材料将会的不二选择。所以由此判断，具有优良性能的聚氨酯硬泡将会有无与伦比的发展潜力和价值。 ^[8] 

1.4.3体育行业

近年来无论是体育室内场地和排球场地还是室内篮球场地和学校橡胶跑道的铺装和建设也也可以发现聚氨酯的身影。比如跑到用的胶粒粘连材料足球场的假草，还有篮球场用地板胶垫都可以找到聚氨酯的身影。根据资料得知性能优良且环保可持续的聚氨酯材料在体育行业有很大的优势。 

1.5 油水分离材料

在工业和生活中或多或少有一些油水混合物。这些混合物有些达不到使用要求，有些则是作为垃圾舍弃。所以就造成资源浪费。在这种背景下就需要油水分离材料对油水混合物进行分离。随着工业的发展，漏油和它的他有机污染的释放已成为最严重的环境和生态问题之一。漏油后，海水被各种有机分子污染；这些包括原油中所含的烷烃，环烷烃和芳烃，这些发生时间很短。根据环境保护的意识和长期污染的影响，清除溢油和化学泄漏从水中变得越来越重要。常规方法，例如动臂或撇油器，物理扩散（由分散剂辅助），燃烧，生物修复技术，化学试剂方法 已将它的用于除油以实现水的回收，但它们要么效率低，吸收能力差，可回收性差，要么在清理过程中可能引入它的他类型的安全壳。所以更高效，更环保的油水分离材料才是人们理想的选择^[5]。以无机材料制备的油水分离材料和以高分子材料制备的油水分离材料可以作为油水分离材料的两大分类。其中用碳纳米获得的超疏水超亲油纳米碳材料、用金属去获得的油水分离金属泡沫材料都是无机材料制备的油水分离材料类的表征；以海绵为基体获得的油水分离海绵、以薄膜为基体的油水分离薄膜还有以纤维为基体获得的油水分离纤维都是属于属于高分子类材料。

1.6以无机材料制备的油水分离材料

1.6.1油水分离金属泡沫材料

从名称上看不难判断出这种材料的基体是金属。这些金属大都具有较高的强度。目前泡孔镍和泡沫铜可以说是超疏水超亲油材料的新型基体材料不二选择。而且这些材料具有方多孔结构和三维网状结构。An 等^[9] 人在实验中发现用在泡沫镍上镀一层膜。这种膜的材料是一种亚微米级的聚吡咯（PPY）的颗粒。然后他们再用氟硅烷（FAS）对其进行改性就得到一种优良的改性材料。它的水接触角为一百五十五度。Zhang 等^[10]等人经过多次实验发现用溶液浸泡的方法在泡沫铜的结构骨架上构建一种结构，这种结构是一种片状微纳米结构。他们用这种方法性能优良的。这种材料的储积水高度差4 cm的而且还有极高的对石油的吸收速率且吸收速率为 0.566 8 g/cm³。这种材料的选择性润湿让它在油水分离领域有非常大的价值和发展潜力。

1.6.2超疏水超亲油纳米碳材料

通过资料我们可以了解到目前有一种新型纳米碳材料，它的疏水性能得到大大加强。之所以会产生这种效果是因为将其结构进行了一定排列。除此之外我们还了解到了石墨烯和碳纳米管其独特的结构赋予其独特的等具有奇特的性能 ^[11]。Sun 等^[12]等人在实验中获得一种碳纳米管。他们将这种碳纳米管叫。他们是通过过重氮化反应合成和用对苯二胺改性得到的。而且在这种材料测出140.8º的对水的接触角。此外他们还测出该材料它的结构中含有疏水化学成分（芳香环键）和粗糙表面结构，所以这样的结构赋予了P-碳纳米管杰出的吸油能力。

1.6.3两种无机基体材料性能比较

从材料的来看油水分离金属泡沫材料的成本较高，还有超疏水超亲油纳米碳材料也用样如此。不过油水分离金属泡沫材料具有强度较高、工艺耗时等特性而且适用于工业污水处理；无论超疏水超亲油纳米碳材料在比表面积上还是性能上都有无与伦比的优势。所以它更适用于海洋漏油回收

1.7以高分子材料制备的油水分离材料

1.7.1油水分离纤维

根据资料我们知道有一种油水分离纤维用静电纺丝的方法得到。用这种方法可以获得纳米级纤维，而且从微观结构^[13]可上调控材料的空隙和基体。所以这种方法赋予了材料优良的吸油性能。Li 等^[14] 等人通过实验得到一种智能纤维膜。他们的获取方法是通过在不锈钢网上pH 响应型纤维，而沉积的方法是静电纺丝。这种材料的结构非常独特。Wang 等^[15]在实验中获得一种油水分离纤维。这种油水分离纤维对正己烷的吸油量提高了70.8%，对汽油的吸油量提高了58.5%，对柴油的吸油量提高了30.5%。他们获取的方法首先是将Fe₃O₄ 粒子加工到纳米级，然后再固定在木棉纤维表面上。经测试这种独特材料结构使得他在化学耐久性上和可回收性上有无与伦比的优势。

1.7.2油水分离薄膜

油水混合物加入表面活性剂后会形成油水乳化液，但油滴会相对稳定。根据资料了解这种油水分离薄膜流道直径较小。这种独特的结构赋予了该薄膜优良的破乳功能^[16] 。Zhang 等^[17]在实验中获得一种纳米复合薄膜。经测试该膜独特的结构赋予了该膜优良的耐用性能。这种薄膜在经过 300℃热处理后任然有半年以上的使用寿命。他们也测出其对水的接触角为 166º±1º。Li 等^[18] 得到一种超疏水亲油薄膜。经测试该薄膜它独特的结构赋予了优良的耐用性。这种膜的超疏水性和高分离效率在 50 次的循环使用后丝毫没有影响。他们还测试出了它的水接触角为 163º±2.3º。除此之外，目前已经研究出可在高酸性，碱性和浓盐环境中 有效分离水包油型乳液凹凸棒涂层膜。这种膜具有出色的分离能力，不仅在温和的环境中，而且在强酸性，碱性和浓盐环境中，对水包油乳液的也具有非常高的化学稳定性和分离效率 ^[1]。

1.7.3 油水分离海绵

众所周知海绵的结构非常独特。它是一种多孔三维立体材料 ^[19]。这种结构使得海绵很容易构筑疏水网络通道。在油水分离过程中，该材料独特而丰富的赋予海绵强大的吸油性能。从结构上看孔隙结构可提供巨大的空间以储存油品，所以油水分离海绵材料在实际应用中有非常强大的优势。Ge 等人在实验中获得一种多孔疏水/亲油材料（PHOMs）它的获取方法首先是将SiO₂ 粒子加工到纳米级，然后将纳米 SiO₂ 粒子/ 聚二甲基硅氧烷（PDMS）进行组合，最后将得到的产物用来对海绵内部网络表面进行修饰。还有人通过实验获得一种超疏水性聚二甲基硅氧烷-TiO₂包覆聚氨酯海绵。这种海绵其独特的结构赋予了该材料优良吸附选择性和突出的可回收性^[3]。而且这种优良吸附选择性对于柴油-水混合物的作用更加突出。再比如还有人通过实验获得一种超疏水还原氧化石墨烯改性三聚氰胺泡沫材料(RGMF)。它的获取方法采用超声波-微波协同。该材料独特的结构赋予了它强大的收集选择性。无论是对水中各种油类还是有机溶剂，且具有杰出的稳定性和循环使用性能 ^[4]。将海绵浸入石墨烯分散液中来制造出一种超疏水性和超亲水性PU海绵，这种新型海绵具有超疏水性能，出色的选择性和可回收性以及奇特的吸收能力的特性^[2]。而且易于制造，原材料有良好商业可得性^[2]。

1.7.4三种高分子基体材料性能比较

从材料的使用成本来看，油水分离纤维材料的使用成本较低，油水分离海绵材料也同样如此。不过油水分离纤维材料具有耐久性好、工艺耗时等特性而且适用于工业污水处理；而油水分离海绵材料因为它独特的结构赋予其强大的分离效率和易自动化等特性，所以它更适用于海洋漏油回收。与油水分离纤维材料还是油水分离海绵材料相比，油水分离薄膜材料使用成本较高。该材料具有工艺耗时、精度较高等特性而且适用于工业污水处理

1.8 PU基油水分离材料

通过资料我们了解到在油水分离材料方面不管是油水分离膜材料还是更具有优势的油水分离泡沫材料基本上是基于以聚氨酯（PU）作为基体的复合材料。所以因为聚氨酯（PU）基油水分离材料强大的优势使得这种材料在油水分离方面有非常大的价值和发展潜力。

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