[发明专利]一种具有高表面自由能层和低表面自由能层的纳微米颗粒及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种具有高表面自由能层和低表面自由能层的纳微米颗粒及其制备方法与应用。所述制备方法包括如下步骤：将含有甲基丙烯胺酸钠和甲基丙烯酸羟乙酯的水相加入至含乳化剂的油相中，依次经乳化和反应得到甲基丙烯酸/甲基丙烯酸羟乙酯复合纳微米颗粒；在搅拌的条件下加入水相；采用氟化合物对纳微米颗粒进行改性即得。本发明纳微米颗粒表面具有较高的表面自由能，经过全氟辛酸改性后，纳微米颗粒表面兼具有高表面自由能化学基团和低表面自由能化学基团。通过在基底材料上喷涂本发明纳微米颗粒后，材料表面具有了稳定的超亲水‑超疏油性，所得表面可在空气、水、油中使用，且无需任何的预处理操作，直接鉴别油水，实现快速的油水混合物/乳液分离。

技术领域

本发明涉及一种具有高表面自由能层和低表面自由能层的纳微米颗粒及其制备方法与应用，属于油水分离材料技术领域。

背景技术

基于四种基本润湿现象(亲水性、亲脂性、疏水性和疏油性)，在过去的20年中使用这种协同策略已经开发了越来越多的超润湿状态。如图1a所示，存在总共64个润湿状态，包括在空气中超亲油/亲水、超疏油/疏水、超双亲和超双疏；在水下超亲油、超疏油、超嗜气和超憎气；以及在油下超亲水、超疏水、超嗜气和超憎气。可以通过组合外部刺激和微纳米级结构来实现这些润湿状态之间的切换。除了超疏水-超亲油表面之外，大多数这些表面都需要理想的环境用于保持它们的润湿状态。此外，很少有表面在空气、水和油环境中保持稳定和选择性润湿性。保持稳定润湿状态的多相材料在工业应用中具有显著优势，因为它不需要预处理，不受环境限制，并且更容易储存。

基于两栖动物(amphibians)所启发的相关概念，在气相和液相中保持相同选择性润湿的表面被定义为空气-水/油两栖润湿表面。与超疏水-超亲油表面相比，无论油的密度和粘度如何，该概念的空气-水/油两栖超亲水性-超疏油性表面可以抵抗油污渍。这样的表面在油-水分离和拒油材料中具有大的前景。然而，很少有研究人员成功地开发出在空气和水/油中都具有超亲水超疏油特性的表面。原因是，根据杨氏方程，表面自由能极低的拒油表面也倾向于拒水。换句话说，由单一材料组成的表面无法在空气、水和油中实现这两种相反的润湿行为。

大多数现有方法仍然受到水性环境或水刺激响应(例如水下超疏油表面)的限制，或者利用施加到超双亲表面的水蒸气的外部刺激，诱导表面基团的分离/重组以实现亲水性和疏油性效果。在预润湿或水刺激的情况下，需要耗时的过程来使材料能够识别油和水，这使得油污染不可能发生快速的油-水分离和隔离。此外，固体表面的单表面自由能阻止在空气、水和油环境中实现均匀、稳定的润湿状态。基于Langmuir表面作用原理，表面自由能的大小由暴露在其表面上的化学基团的类型确定。因为许多合成和天然材料具有均匀的表面化学基团，所以它们不能在多相环境中对油和水分子施加稳定的排斥或吸引性相互作用。

纳米布沙漠甲虫的背部甲壳具有许多亲水性突起(具有高表面自由能)和蜡状疏水沟槽(具有低表面自由能)。通过区分高表面自由能层和低表面自由能层，甲壳表面巧妙地结合了两种润湿状态，对水分子产生了相反的影响。亲水凸起能够从沙漠空气中捕获稀缺的水蒸气，收集到的水滴通过疏水凹槽输送到甲虫的头部饮用(图1b)。因此，有必须提供一种基于纳米布沙漠甲虫的结构的空气和水/油两栖超亲水性-超疏油性表面。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有高表面自由能层和低表面自由能层的纳微米颗粒，其而能够构建超亲水性-超疏油性的表面，该表面在空气和水/油的两栖条件下显示出优异和稳定的超亲水性-超疏油性，可在没有任何预处理的情况下有效地分离油-水混合物和水包油乳液。

本发明提供的具有高表面自由能层和低表面自由能层的纳微米颗粒的制备方法，包括如下步骤：

1)将含有甲基丙烯胺酸钠和甲基丙烯酸羟乙酯的水相加入至含乳化剂的油相中，依次经乳化和反应得到甲基丙烯酸/甲基丙烯酸羟乙酯复合纳微米颗粒；

在搅拌的条件下加入所述水相；

所述水相中含有过硫酸钾和N,N-亚甲基双丙烯酰胺；