本发明属于功能性材料技术领域，涉及到一种超疏水超亲油镀镍碳纤维的制备方法。
背景技术：
油水混合物的高纯度分离技术是工程技术领域的热点问题之一。大到海洋石油泄露、原油污染，小到家庭工厂用油所造成的油水混合物，不仅会破坏水质、污染土壤、影响环境，而且易造成巨额经济损失，甚至危害人类健康。因此，如何实现高纯度的油水分离具有极大的实际意义。
目前油水混合物的分离方法可分为传统处理方法和基于极端润湿性材料的方法。传统处理方法包括微生物降解法、燃烧法、集油法、围栏法和重力法等，虽然能进行油水混合物的分离，但仍存在着一些明显的缺点，如分离纯度低、二次污染、处理速度慢等。与传统方法相比，基于极端润湿性材料的方法更为高效，成本也更低，但在极端润湿性材料的制备方法上仍存在一些问题。专利cn103626171a公开了一种油水分离用石墨烯海绵的制备方法，具体是通过石墨烯溶液浸泡配合还原反应的到，该方法制备过程复杂，成本非常高，难以推广，实际应用价值不高。论文(acsappliedmaterials&interfaces,2009,11,2613)报道了一种油水分离用超疏水超亲油铜网的制备方法，具体是通过硝酸溶液浸泡在铜网上构建微观结构再经低表面能修饰获得，该方法涉及到强酸溶液的使用，不利于操作人员的安全，且废酸溶液易造成二次污染或增加处理成本。专利cn105002721b公开了一种油水分离用耐磨损超疏水棉布的制备方法，具体是通过硅酸乙酯、硅烷偶联剂、乙醇在超声条件下反应获得，该方法制备时需用到大量化学药品，且有些药品不宜获得。论文(chemicalcommunication,2005,640-642)报道了一种超亲水表面的制备方法，具体是利用电化学方法在玻璃基底上做出氧化铟-氧化锡超亲水表面，该方法无需光照即可获得超亲水表面，但制备的表面不能长时间维持其极端润湿性，无法长期保存。论文(surfacesciencereports,2008,63:515-582)报道了一种二氧化钛超亲水薄膜的制备方法，具体是用紫外光辐照经锐钛矿溶胶形成的二氧化钛获得。该方法制备的超亲水薄膜长时间在光照环境下会逐渐转变为疏水性，无法长期使用。
因此，有必要研发一种安全环保、简单易操作、耐用性强的油水分离用极端润湿性新材料的制备方法。
技术实现要素：
为解决上述问题，本发明旨在于提供一种超疏水超亲油镀镍碳纤维的制备方法，该方法安全环保、简单易操作、耐用性强，且所得镀镍碳纤维具有适用性广、镀镍与基体结合强度高的优点，可用于实现高纯度及复杂环境下的油水分离。
本发明的技术方案：
一种超疏水超亲油镀镍碳纤维的制备方法，步骤如下：
(1)预处理
采用丙酮法去胶，将碳纤维依次浸泡在丙酮中和去离子水中超声清洗往复2-3次；采用酸碱液除去表面油污，将去胶后的碳纤维依次用0.5mol/l～2mol/l的naoh溶液和0.5mol/l～2mol/l的hcl溶液超声清洗，并用去离子水清洗；然后将去除表面油污后的碳纤维浸泡于过二硫酸铵和硫酸的混合水溶液中，其中，过二硫酸铵浓度为50g/l～300g/l，硫酸的浓度为50ml/l～200ml/l，同时超声清洗，再用去离子水清洗，实现对碳纤维表面进行粗化，使其表面呈现出粗糙的微观结构；最后利用质量分数为5％～20％的naoh溶液进行中和，之后用去离子水清洗，即完成预处理过程；所述的丙酮去胶时间不能低于30min，浸泡于过二硫酸铵和硫酸的混合溶液中的浸泡时间不能低于10min。
(2)电镀镍
电镀液中的各物质成分与浓度如下：50g/l～300g/l的硫酸镍、10g/l～100g/l的氯化镍、5g/l～50g/l的硼酸、0.01g/l～0.5g/l的十二烷基硫酸钠，混合配制而成的水溶液。将单束预处理后的碳纤维裁剪作为阴极，与面积尺寸不小于阴极的阳极镍板平行对称放置，并通过导线与电源相连，将镍板接电源正极、碳纤维接电源负极，然后置入电镀液中开始电镀加工，电镀加工结束后进行清洗吹干得到镀镍碳纤维；所述的碳纤维电镀加工时间与电流密度的乘积不低于50min·ma/cm2，阴阳极电极板的间距不能超过5cm，所述的镀镍碳纤维只有在该镀液范围内加工才有超疏水效果。
(3)氟化
将步骤(2)中加工得到的镀镍碳纤维浸泡于质量分数为0.5％～2％的氟硅烷乙醇溶液中处理20-60min，再烘干，即得超疏水超亲油镀镍碳纤维；所述的烘干温度不能高于90℃。
本发明由于采用了以上技术方案，具有以下优点：
(1)本发明制备方法具有简单易操作，设备要求低，低成本等优点；
(2)本发明加工出的镀镍碳纤维显示超疏水超亲油性，且可长期保持其超疏水超亲油性长达2年之久；超疏水超亲油镀镍碳纤维对水的接触角大于150°，对油的接触角小于10°；
(3)本发明加工出的镀镍碳纤维不仅对酸、碱、盐、热水等液滴具有超疏水效果，且可用于分离油与这些水溶液的混合物，显示出在复杂环境下的高效分离能力；
(4)本发明加工出的镀镍碳纤维对二氯甲烷、氯仿等重油及正己烷、十六烷、柴油、花生油、润滑油等轻油均有不错的分离效果；
(5)本发明加工出的镀镍碳纤维经多次冷热循环测试后表面镀层无任何起泡及脱落情况，显示出良好的镀层结合强度。
附图说明
图1为实施例1得到的7μm的预处理后碳纤维的扫描电镜图；
图2为实施例1得到的7μm的电镀镍后碳纤维的扫描电镜图；
图3为5μl水滴在获得的超疏水镀镍碳纤维上的接触角图；
图4为实施例2得到的7μm的镀镍碳纤维扫描电镜图；
图5为实施例3得到的7μm镀镍碳纤维扫描电镜图。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
实施例1：
(1)预处理
采用丙酮法去胶，将碳纤维依次浸泡在500ml丙酮中和去离子水中超声清洗60min，往复2次；采用酸碱液除去表面油污，将去胶后的碳纤维依次用1mol/l的naoh溶液和1mol/l的hcl溶液超声清洗20min，并用去离子水清洗；然后将去除表面油污后的碳纤维浸泡于过二硫酸铵和硫酸的混合水溶液中，其中，过二硫酸铵浓度为200g/l，硫酸的浓度为100ml/l，同时超声清洗20min，再用去离子水清洗；最后利用质量分数为10％的naoh进行中和20min，之后用去离子水清洗。预处理后碳纤维的如图1所示。
(2)电镀镍
电镀液中的各物质成分与浓度如下：200g/l的硫酸镍、50g/l的氯化镍、30g/l的硼酸、0.2g/l的十二烷基硫酸钠，混合配制而成的水溶液。将单束预处理碳纤维裁剪成6cm×3cm作为阴极，与面积尺寸不小于阴极的阳极镍板平行对称放置，并通过导线与电源相连，将镍板接电源正极、碳纤维接电源负极，然后置入电镀液中开始电镀加工，碳纤维电镀加工时间与电流密度的乘积为168min·ma/cm2，阴阳极电极板的间距为2cm；电镀加工结束后用去离子水清洗，吹干，得到镀镍碳纤维。电镀镍后碳纤维如图2所示。
(3)氟化
将步骤(2)中加工得到的镀镍碳纤维浸泡于质量分数为1％的氟硅烷乙醇溶液中处理40min，在60℃温度下烘干，获得超疏水超亲油镀镍碳纤维。
将两束电镀镍氟化完成后的碳纤维分散，交叉平铺制备成超疏水超亲油镀镍碳纤维网，夹在两个平底中空玻璃管之间，制作成简易的油水混合物分离装置。用于分离重油/水混合物时采用竖直式分离的方法，将20ml重油/5ml水的混合物倒入分离装置，即可实现油水分离过程，分离结束后，装置上半部分为水，下半部分为油；分离轻油/水混合物时采用倾斜式分离的方法，将20ml轻油/1ml水的混合物倒入装置，分离结束后，装置上半部分为水，下半部分为油。水滴在超疏水镀镍碳纤维上的接触角如图3所示。
该方法制备的超疏水超亲油镀镍碳纤维在油水分离上显示出良好的应用效果。在各种高浓度酸、碱、盐等极端条件下均可正常使用；可高纯度分离正己烷、十六烷、柴油、润滑油、二氯甲烷等轻重油，分离效率在97％以上。
实施例2：
(1)预处理
采用丙酮法去胶，将碳纤维依次浸泡在500ml丙酮中和去离子水中超声清洗30min，往复2次；采用酸碱液除去表面油污，将去胶后的碳纤维依次用0.5mol/l的naoh溶液和0.5mol/l的hcl溶液超声清洗20min，并用去离子水清洗；然后将去除表面油污后的碳纤维浸泡于过二硫酸铵和硫酸的混合水溶液中，其中，过二硫酸铵浓度为50g/l，硫酸的浓度为50ml/l，同时超声清洗20min，再用去离子水清洗；最后利用质量分数为5％的naoh进行中和10min，之后用去离子水清洗。
(2)电镀镍
电镀液中的各物质成分与浓度如下：50g/l的硫酸镍、10g/l的氯化镍、5g/l的硼酸、0.01g/l的十二烷基硫酸钠，混合配制而成的水溶液。将单束预处理碳纤维裁剪成6cm×3cm作为阴极，与面积尺寸不小于阴极的阳极镍板平行对称放置，并通过导线与电源相连，将镍板接电源正极、碳纤维接电源负极，然后置入电镀液中开始电镀加工，碳纤维电镀加工时间与电流密度的乘积为50min·ma/cm2，阴阳极电极板的间距为1cm；电镀加工结束后用去离子水清洗，吹干，得到镀镍碳纤维，电镀镍后碳纤维如图4所示。
(3)氟化
将步骤(2)中加工得到的镀镍碳纤维浸泡于质量分数为0.5％的氟硅烷乙醇溶液中处理20min，在70℃温度下烘干，获得超疏水超亲油镀镍碳纤维。
实施例3：
(1)预处理
采用丙酮法去胶，将碳纤维依次浸泡在500ml丙酮中和去离子水中超声清洗60min，往复2次；采用酸碱液除去表面油污，将去胶后的碳纤维依次用2mol/l的naoh溶液和2mol/l的hcl溶液超声清洗20min，并用去离子水清洗；然后将去除表面油污后的碳纤维浸泡于过二硫酸铵和硫酸的混合水溶液中，其中，过二硫酸铵浓度为300g/l，硫酸的浓度为200ml/l，同时超声清洗20min，再用去离子水清洗；最后利用质量分数为20％的naoh进行中和20min，之后用去离子水清洗。
(2)电镀镍
电镀液中的各物质成分与浓度如下：300g/l的硫酸镍、100g/l的氯化镍、50g/l的硼酸、0.5g/l的十二烷基硫酸钠，混合配制而成的水溶液。将单束预处理碳纤维裁剪成6cm×3cm作为阴极与面积尺寸不小于阴极的阳极镍板平行对称放置，并通过导线与电源相连，将镍板接电源正极、碳纤维接电源负极，然后置入电镀液中开始电镀加工，碳纤维电镀加工时间与电流密度的乘积为400min·ma/cm2，阴阳极电极板的间距为5cm；电镀加工结束后用去离子水清洗，吹干，得到镀镍碳纤维，电镀镍后碳纤维如图5所示。
(3)氟化
将步骤(2)中加工得到的镀镍碳纤维浸泡于质量分数为2％的氟硅烷乙醇溶液中处理60min，在80℃温度下烘干，获得超疏水超亲油镀镍碳纤维。
1.一种超疏水超亲油镀镍碳纤维的制备方法，其特征在于，步骤如下：
(1)预处理：采用丙酮法去胶，将碳纤维依次浸泡在丙酮中和去离子水中超声清洗往复2-3次；采用酸碱液除去表面油污，将去胶后的碳纤维依次用0.5mol/l～2mol/l的naoh溶液和0.5mol/l～2mol/l的hcl溶液超声清洗，并用去离子水清洗；然后将去除表面油污后的碳纤维浸泡于过二硫酸铵和硫酸的混合水溶液中，其中，过二硫酸铵浓度为50g/l～300g/l，硫酸的浓度为50ml/l～200ml/l，同时超声清洗，再用去离子水清洗，实现对碳纤维表面进行粗化，使其表面呈现出粗糙的微观结构；最后利用质量分数为5％～20％的naoh进行中和，之后用去离子水清洗，完成预处理过程；所述的丙酮去胶时间不低于30min，浸泡于过二硫酸铵和硫酸的混合溶液中的浸泡时间不低于10min；
(2)电镀镍：电镀液中的各物质成分与浓度如下：50g/l～300g/l的硫酸镍、10g/l～100g/l的氯化镍、5g/l～50g/l的硼酸、0.01g/l～0.5g/l的十二烷基硫酸钠，混合配制而成的水溶液；将单束预处理后的碳纤维裁剪作为阴极，与面积尺寸不小于阴极的阳极镍板平行对称放置，并通过导线与直流电源相连，将镍板接电源正极、碳纤维接电源负极，然后置入电镀液中开始电镀加工，电镀加工结束后进行清洗吹干得到镀镍碳纤维；所述的碳纤维电镀加工时间与电流密度的乘积不低于50min·ma/cm2，阴阳极电极板的间距不能超过5cm；
(3)氟化：将步骤(2)中加工得到的镀镍碳纤维浸泡于质量分数为0.5％～2％的氟硅烷乙醇溶液中处理20-60min，再烘干，获得超疏水超亲油镀镍碳纤维；所述的烘干温度不高于90℃。
技术总结