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活性炭疏水/超疏水改性技术研究进展

表面技术 2024年第5期53卷 1-17页

作者：庄怡凡刘星宇花颢轩苏一凡侯泽钟周张恒季延正焦玄余新泉张友法东南大学材料科学与工程学院南京211189 东南大学江苏省先进金属材料高技术研究重点实验室南京211189

活性炭具有丰富的孔隙结构和表面官能团,广泛用于吸附污染环境中的各种有机物。由于活性炭表面富含亲水官能团,在潮湿环境下将优先吸附水分子,从而大幅度降低了对目标有机物的吸附容量,因此如何改善活性炭的防潮防水性能是其应用过程中... 详细信息

活性炭具有丰富的孔隙结构和表面官能团,广泛用于吸附污染环境中的各种有机物。由于活性炭表面富含亲水官能团,在潮湿环境下将优先吸附水分子,从而大幅度降低了对目标有机物的吸附容量,因此如何改善活性炭的防潮防水性能是其应用过程中亟待解决的问题。大量研究表明,活性炭经疏水/超疏水改性后,可有效隔绝水汽,显著提高其防潮、防水性能,这种特殊性能使疏水/超疏水活性炭在诸多领域都有着极高的应用前景和市场价值。基于活性炭的吸附机理,从活性炭的物理结构和表面化学性质2个角度出发,概述了活性炭的来源和形貌,着重介绍了不同的疏水/超疏水改性技术,包括高温加热处理、负载金属氧化物、有机分子改性、有机硅涂层、有机无机复合超疏水涂层的改性制备方法及相应的优缺点,并在此基础上分析了不同改性技术对活性炭的防潮、防水能力及吸附目标有机物的影响。进一步讨论了疏水/超疏水活性炭在不同领域(例如废水处理、废气处理及电化学催化等)的实际应用效果,并指出了现有技术存在的局限性,最后对活性炭的发展进行了展望。

关键词：活性炭有机物吸附超疏水防潮防水

多功能疏水/超疏水复合涂层的制备及其防覆冰性

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复合材料学报 2022年第3期39卷 1102-1109页

作者：徐达肖振余新泉张友法东南大学材料科学与工程学院南京211189 江苏省先进金属材料高技术研究重点实验室南京211189

防覆冰现已成为飞机结构、输电线路、制冷器械等设备上亟待解决的问题。对自主研发的三种疏水/超疏水复合涂层的防覆冰特性进行了综合对比研究,重点分析了各涂层在机械耐久性及超低温条件下除冰性的优势。测试结果表明:底漆-面漆复合超... 详细信息

防覆冰现已成为飞机结构、输电线路、制冷器械等设备上亟待解决的问题。对自主研发的三种疏水/超疏水复合涂层的防覆冰特性进行了综合对比研究,重点分析了各涂层在机械耐久性及超低温条件下除冰性的优势。测试结果表明:底漆-面漆复合超疏水涂层具备较优异的机械耐久性,在磨耗仪250 g载荷下磨耗40次后及冻融循环100次后冰剪切强度均小于30 kPa;而疏水纳米颗粒-润滑脂复合涂层超低温-150℃下的除冰性能表现优异,其初始冰层剪切力仅为11.5 kPa。本文研究成果将为疏水/超疏水涂层在防覆冰领域的应用提供有益的理论和实际指导。

关键词：防覆冰疏水/超疏水复合材料低温/超低温机械耐久性

水性超亲水耐污复合涂层网膜的制备及其长效油水分离性能

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复合材料学报 2023年第7期40卷 4082-4094页

作者：王蓉辉陈俊旭于照鹏余新泉张友法中国石化扬子石油化工有限公司烯烃厂南京210048 东南大学材料科学与工程学院南京211189 江苏省先进金属材料高技术研究重点实验室南京211189

石油化工和机械制造等领域普遍存在含油污水,直接排放不仅浪费水、油资源,污染生态环境,还影响人类与其他生物的生存与健康。传统的油水分离方法局限性强、经济性差、分离效率不高。以316不锈钢丝网为基底,研发了耐长期水泡与耐油污染... 详细信息

石油化工和机械制造等领域普遍存在含油污水,直接排放不仅浪费水、油资源,污染生态环境,还影响人类与其他生物的生存与健康。传统的油水分离方法局限性强、经济性差、分离效率不高。以316不锈钢丝网为基底,研发了耐长期水泡与耐油污染的超亲水水下疏油网膜,通过优选水性丙烯酸与水性环氧清漆共混树脂作为粘结剂,对基底采用植酸预处理,采用一步喷涂法制备出了纯水性涂层涂覆的超亲水水下疏油网膜。对不同含油污水的分离效率均能够达到98%以上,水通量能够达到14000 L/(m^(2)·h·bar)以上,耐油压为4.65 kPa。循环分离正己烷污水50次后,网膜的分离效率仍然能够达到98%以上。耐水泡180天后仍保持超亲水性及6500 L/(m^(2)·h·bar)以上的水通量。添加微量表面活性剂十二烷基硫酸钠后,经过50次污染-清洗循环后网膜的水通量衰减<50%。这一研究为精细化含油污水处理领域超亲水分离网膜的研发与制备提供了一定借鉴与技术参考。

关键词：油水分离超亲水水下疏油耐水泡耐污

仿生超浸润核桃壳滤料制备及其采油污水处理性能研究

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表面技术 2023年第7期52卷 315-324页

作者：时维才陈俊旭宋奇陈普刘平张友法江苏油田石油工程技术研究院江苏扬州225009 东南大学材料科学与工程学院南京江苏省先进金属材料高技术研究重点实验室南京211189

目的通过对油田含油污水处理用核桃壳滤料进行润湿性改性,研究其是否能够有效提高核桃壳滤料对采出水的过滤效果,并选出最优改性方法,验证其改性稳定性和长效性。方法选用粒径为1~3 mm的核桃壳滤料颗粒,经清洗干燥后分别用含氟的超双疏... 详细信息

目的通过对油田含油污水处理用核桃壳滤料进行润湿性改性,研究其是否能够有效提高核桃壳滤料对采出水的过滤效果,并选出最优改性方法,验证其改性稳定性和长效性。方法选用粒径为1~3 mm的核桃壳滤料颗粒,经清洗干燥后分别用含氟的超双疏改性液、含辛基硅烷的超疏水超亲油改性液,以及含气相二氧化硅和环氧树脂的超亲水改性液进行润湿性改性,随后对其润湿性分离性能进行评价,并选出最优改性方案,研究改性后滤料的实地服役能力。结果以核桃壳滤料为基础,通过表面修饰改性方法制备出具有超疏水/超疏油、超疏水/超亲油、超亲水/水下超疏油特性的核桃壳滤料,并通过过滤实验比较了未处理核桃壳滤料和这3种滤料的过滤效果,其过滤效率分别为57.62%、65.77%、61.26%、84.01%,反冲洗液的含油量分别为487.1、172.4、505.8、786.4 mg/L,超亲水/水下超疏油滤料的过滤效率和反洗液含油量最高,表明超亲水/水下超疏油核桃壳滤料可以提升过滤效果,并增强其反洗能力,可作为填充滤料;现场试验结果表明,经超亲水滤料过滤后的水质显著改善,浊度最高降低了83.4%,反冲洗周期≥24 h,展现出良好的应用价值和潜力;进一步探究了核桃壳滤料粒径、滤柱高度、过滤批次等参数对过滤效果的影响,明确指出若要达到较为理想的过滤效果,需对滤料进行级配,且填充高度需合理。结论超亲水/水下超疏油滤料的过滤效率和反洗液含油量最高,可以提升过滤效果,并增强反洗能力,能够有效改善油田采出水现场过滤表现。

关键词：核桃壳滤料润湿性油水分离超亲水/水下超疏油

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透明超疏水纳米阵列的构建及露滴自弹跳特性

高等学校化学学报 2016年第10期37卷 1882-1890页

作者：张友法安力佳郝建霞余新泉陈锋东南大学材料科学与工程学院江苏省先进金属材料高技术研究重点实验室南京211189

利用溶胶-凝胶技术制备氧化锌晶种层,再通过化学氧化法在FTO玻璃表面制备了高度垂直取向的氧化锌纳米棒阵列.研究了晶种溶胶浓度和液相化学生长时间对阵列纳米结构形貌的影响规律和作用机理,并进一步分析了表面润湿性和透明性的变化情况... 详细信息

利用溶胶-凝胶技术制备氧化锌晶种层,再通过化学氧化法在FTO玻璃表面制备了高度垂直取向的氧化锌纳米棒阵列.研究了晶种溶胶浓度和液相化学生长时间对阵列纳米结构形貌的影响规律和作用机理,并进一步分析了表面润湿性和透明性的变化情况.通过氧化锌纳米棒阵列的可控构建,获得了平均透光率可达95%的透明超疏水表面.密集生长的纳米阵列使得该表面在稳态结露条件下,直径约10μm的小尺度球状露滴合并后易发生自驱弹跳,脱附率高,露滴数量密度、覆盖率和平均直径均能保持在恒定范围,显示出优异的抗结露特性.

关键词：纳米阵列氧化锌超疏水透明自弹跳

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仿蝉翼超疏水疏油玻璃防指纹特性研究

表面技术 2021年第10期50卷 40-47页

作者：王威余新泉张友法东南大学材料科学与工程学院南京211189 东南大学江苏省先进金属材料高技术研究重点实验室南京211189

目的解决传统的全氟聚醚疏油防指纹涂层对提高触摸屏防指纹效果不明显的问题。方法基于对蝉翼表面纳米阵列微观结构形貌的表征,通过金快速热退火模板法和反应离子刻蚀技术,制备了仿蝉翼超疏水疏油防指纹表面。基于指纹图像阈值算法和表... 详细信息

目的解决传统的全氟聚醚疏油防指纹涂层对提高触摸屏防指纹效果不明显的问题。方法基于对蝉翼表面纳米阵列微观结构形貌的表征,通过金快速热退火模板法和反应离子刻蚀技术,制备了仿蝉翼超疏水疏油防指纹表面。基于指纹图像阈值算法和表面粗糙度因子模拟计算,评价分析了其防指纹特性。结果仿蝉翼超疏水表面水接触角为(152±1)°,指纹油接触角为(118±2)°,十六烷接触角为(111±2)°,表面透光率为95.6%,展现出卓越的超疏水疏油特性和光学特性。同时,仿蝉翼超疏水疏油表面的抗指纹性相对于全氟聚醚改性平玻璃疏油表面提升了28.3%以上,表现出良好的防指纹特性。此外,按压指纹后的仿蝉翼超疏水疏油表面经过1次标准无纺布擦拭实验后,表面指纹率相对于擦拭前降低了40%,指纹降低率远高于改性平玻璃疏油表面,说明了其优异的指纹易擦洗特性。另外,经过20 min落砂实验后,仿蝉翼超疏水疏油表面仍然可以保持良好的抗指纹特性,说明其具有良好的耐机械磨损特性。结论仿蝉翼超疏水疏油表面具有优异的超疏水疏油特性和光学特性,同时,表面致密的纳米阵列赋予了其良好的抗指纹特性。经测试发现,该表面具有优异的指纹易擦洗特性和机械耐久性,为未来防指纹玻璃的设计提供了新的思路。

关键词：仿蝉翼防指纹超疏水疏油机械耐久性

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工业铝箔超疏水表面的低损伤制备及其机理

高校化学工程学报 2014年第1期28卷 130-136页

作者：吴昊余新泉张友法东南大学材料科学与工程学院江苏省先进金属材料高技术研究重点实验室江苏南京211189

金属表面仿生超疏水特性具有耐蚀和抗结霜特性,可明显改善空调散热用工业铝箔翅片在结霜工况下的传热性能。研究利用磷酸与氟化钠混合水溶液化学处理法,开发了一种低损伤的工业铝箔超疏水表面制备技术,并对制备样品表面形貌、相形成,润... 详细信息

金属表面仿生超疏水特性具有耐蚀和抗结霜特性,可明显改善空调散热用工业铝箔翅片在结霜工况下的传热性能。研究利用磷酸与氟化钠混合水溶液化学处理法,开发了一种低损伤的工业铝箔超疏水表面制备技术,并对制备样品表面形貌、相形成,润湿性和耐蚀性等进行了分析,优化了制备工艺,获得了制备机理。结果表明,在优化工艺条件下,制备的超疏水工业铝箔厚度变化较小,表观质量较佳,表面水滴静态接触角可达155°,黏附小,并可在室外长时间放置和各pH值范围内保持超疏特性。通过分析,酸性水溶液的刻蚀以及Na3[AlF6]和AlPO4等的沉积,在铝箔表面构建了微纳复合结构,从而使得工业铝箔经过化学处理并改性后,获得了超疏水性。

关键词：工业铝箔超疏水低损伤化学刻蚀

结霜初期超疏水表面凝结液滴的自跳跃脱落及其对结霜过程的影响

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东南大学学报（自然科学版） 2016年第4期46卷 757-762页

作者：汪峰梁彩华张友法张小松东南大学能源与环境学院南京210096 东南大学材料科学与工程学院南京211189

制备了具有微纳复合结构的超疏水表面,对其结霜过程进行了可视化观测,揭示了结霜初期表面凝结液滴的自跳跃行为及其对结霜过程的影响,并与普通表面的结霜过程进行了对比研究.实验结果表明,结霜初期,超疏水表面的凝结液滴频繁出现合并后... 详细信息

制备了具有微纳复合结构的超疏水表面,对其结霜过程进行了可视化观测,揭示了结霜初期表面凝结液滴的自跳跃行为及其对结霜过程的影响,并与普通表面的结霜过程进行了对比研究.实验结果表明,结霜初期,超疏水表面的凝结液滴频繁出现合并后自跳跃现象,根据液滴合并前的尺寸大小,可将自跳跃行为分为3类,而普通表面未观察到类似现象;液滴自跳跃临界半径随着液固接触面积分数的降低和表面接触角的增大而减小.初始凝结液滴的自跳跃降低了超疏水表面液滴覆盖率和分布密度,同时引起表面霜层生长的不均匀性和霜晶结构的差异.与普通表面相比,超疏水表面可有效抑制结霜,延缓霜层生长速率.

关键词：超疏水表面凝结液滴自跳跃结霜

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超疏水低粘着铜表面制备及其防覆冰性能

物理化学学报 2010年第5期26卷 1457-1462页

作者：张友法余新泉周荃卉李康宁东南大学材料科学与工程学院江苏省先进金属材料高技术研究重点实验室南京211189

用喷砂处理在铜片表面形成微米级丘陵状凹坑,再用表面氧化处理在铜片表面制备菊花花瓣状CuO纳米片.通过喷砂-表面氧化处理在铜片表面成功构建了微米-纳米复合结构,这种表面氟化后与水滴的接触角高达161°,滚动角低至1°,显示出优异的超... 详细信息

用喷砂处理在铜片表面形成微米级丘陵状凹坑,再用表面氧化处理在铜片表面制备菊花花瓣状CuO纳米片.通过喷砂-表面氧化处理在铜片表面成功构建了微米-纳米复合结构,这种表面氟化后与水滴的接触角高达161°,滚动角低至1°,显示出优异的超疏水性和很低的粘着性.低温下,这种表面与水滴间的热量交换较小,水滴不易凝结,有效地提高了抗结霜性.抗结霜性良好的超疏水铜有望在热交换器或低温运行设备等领域获得应用,这种简便的超疏水铜表面的制备方法也给其它工程材料超疏水表面的工业化制备提供了一个思路.

关键词：超疏水铜低粘着抗结霜接触角