超疏水不銹鋼網(wǎng)雙面復(fù)合電刷鍍制備法及其油水分離應(yīng)用

金亦輝，潘維浩，周瑜陽，黃柳，宋金龍，孫玉文

超疏水不銹鋼網(wǎng)雙面復(fù)合電刷鍍制備法及其油水分離應(yīng)用

金亦輝，潘維浩，周瑜陽，黃柳，宋金龍，孫玉文

（大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116024）

采用雙面復(fù)合電刷鍍法制備一種超疏水不銹鋼網(wǎng)，并實(shí)現(xiàn)油水分離。搭建雙面復(fù)合電刷鍍?cè)囼?yàn)裝置，將不銹鋼網(wǎng)依次進(jìn)行預(yù)處理、刷鍍過渡鍍層、刷鍍工作鍍層和低表面能改性處理，得到超疏水性能良好的不銹鋼網(wǎng)。研究刷鍍電壓、刷鍍時(shí)間、刷鍍速度和刷鍍溫度等參數(shù)對(duì)不銹鋼網(wǎng)微結(jié)構(gòu)和潤濕性的影響。借助光學(xué)接觸角測(cè)量儀、掃描電子顯微鏡、X射線衍射儀和傅里葉變換紅外光譜儀等分析測(cè)試設(shè)備，對(duì)制備的不銹鋼網(wǎng)的表面潤濕性、微觀形貌、元素組成和油水分離性能等進(jìn)行測(cè)試分析。雙面復(fù)合電刷鍍工藝能夠在不銹鋼網(wǎng)表面形成均勻分布的花椰菜狀微/納米級(jí)粗糙結(jié)構(gòu)，鍍層的主要成分為鎳，并含有微量納米二氧化硅。在刷鍍液溫度為25 ℃、刷鍍速度為8 m/min條件下，以15 V的刷鍍電壓刷鍍3 min，超疏水不銹鋼網(wǎng)的接觸角達(dá)到159°，滾動(dòng)角為7°。制備的不銹鋼網(wǎng)具有優(yōu)異的油水分離性能，對(duì)正己烷、二氯甲烷等多種油水混合物的分離效率達(dá)到95%以上，且分離純度較高。采用雙面復(fù)合電刷鍍工藝可簡單快速地獲得雙面超疏水不銹鋼網(wǎng)，制備的超疏水不銹鋼網(wǎng)能高效地分離多種油水混合物，在海洋溢油清理等領(lǐng)域有良好的應(yīng)用前景。

電刷鍍；鎳鍍層；超疏水；超親油；不銹鋼網(wǎng)；油水分離

海洋原油泄漏事故不僅嚴(yán)重威脅海洋動(dòng)植物和人類的生態(tài)環(huán)境，也浪費(fèi)了大量不可再生石油資源[1-3]。為了收集海洋溢油，實(shí)現(xiàn)資源重復(fù)利用，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，全球科研人員一直致力于研究高效率油水分離技術(shù)[4]。針對(duì)油水分離的傳統(tǒng)方法主要有生物降解法、化學(xué)處理法和物理分離法等，這些方法普遍存在成本高、效率低、純度低等問題，已不能滿足實(shí)際使用場(chǎng)景的要求。近年來，借助極端潤濕性材料實(shí)現(xiàn)油水分離的方法受到了廣泛關(guān)注，主要可分為過濾法和吸附法等2種[5-8]。吸附法主要利用超疏水–超親油材料，對(duì)含油廢水中的浮油進(jìn)行吸附，該方法存在成本高、重復(fù)利用率低和吸附油難回收等問題。過濾式油水分離法利用金屬網(wǎng)[9-11]、薄膜[12-15]和織物纖維[16-18]等超疏水–超親油材料或超親水–超疏油材料選擇性地過濾油或水，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)油水混合物的高效分離。由于金屬網(wǎng)成本低廉且易于加工和改性，因此基于極端潤濕性金屬網(wǎng)的制備及其油水分離方面的研究引起了眾多科研人員的重視。

制備極端潤濕性材料需先在材料表面構(gòu)建微觀粗糙結(jié)構(gòu)，再降低材料的表面能[19]。目前，研究人員已提出多種方法制備用于油水分離的極端潤濕性金屬網(wǎng)，如電鍍法、水熱法、化學(xué)刻蝕法、靜電噴霧法、激光刻蝕法等[20-26]。與其他方法相比，電鍍法具有成本低、效率高、可控性好且鍍層與基體結(jié)合力較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，目前電鍍法的應(yīng)用主要集中在固定陽極和金屬板材上[27-33]。Polyakov等[27]采用電鍍法在864 mm2的低碳鋼板材表面構(gòu)建出樹枝狀鋅粗糙結(jié)構(gòu)，經(jīng)過硬脂酸溶液處理后，得到厚度為10 μm的超疏水鍍層，且鍍層具有良好的耐腐蝕性能。Lu[28]采用化學(xué)沉積和電鍍法在25 mm × 25 mm × 0.3 mm的銅板上構(gòu)建出微米乳突和納米針狀的多級(jí)分層結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)具有良好的超疏水和減阻特性。Kang等[30]將硝酸鈰和硬脂酸乙醇溶液混合作為電鍍液，在25 mm × 15 mm × 5 mm的AZ31鎂合金表面快速制備出具有超疏水性的乳突狀微/納米結(jié)構(gòu)，得到的超疏水表面具有良好的防腐效果。上述電鍍工藝雖可在多種金屬基底上制備超疏水表面，但均屬于有槽電鍍工藝，加工時(shí)工件需浸泡在鍍液中，存在大面積制備困難的問題。電刷鍍工藝采用移動(dòng)式陽極，可實(shí)現(xiàn)大面積超疏水金屬表面的高效制備。徐文驥等[34]采用電刷鍍法在碳素結(jié)構(gòu)鋼表面制備出具有超疏水性能的二氧化硅/鎳納米復(fù)合鍍層。Wang等[35]采用電刷鍍法在不銹鋼網(wǎng)表面沉積由乳突狀結(jié)構(gòu)、裂縫及凹坑組成的鎳鍍層。目前，通過電刷鍍工藝僅可在樣品單側(cè)制備極端潤濕性表面，但是在實(shí)際油水分離應(yīng)用過程中，對(duì)濾網(wǎng)上下兩側(cè)的極端潤濕性均有較高要求。如果采用現(xiàn)有工藝，則需對(duì)樣品進(jìn)行多次裝夾、加工，難以保證樣品兩側(cè)均具有均勻、良好的極端潤濕性，且效率較低、工藝復(fù)雜。為了解決現(xiàn)有工藝存在的問題，文中通過搭建雙面復(fù)合電刷鍍?cè)囼?yàn)平臺(tái)，簡化工藝流程，對(duì)不銹鋼網(wǎng)兩面同時(shí)進(jìn)行加工，以期制備的雙面均具有良好極端潤濕性的不銹鋼網(wǎng)成本低、效率高。首先通過單因素試驗(yàn)，探究工藝參數(shù)對(duì)鍍層表面潤濕性的影響，確定較優(yōu)工藝參數(shù)；在此基礎(chǔ)上，開展油水分離試驗(yàn)，測(cè)試不同類型油水混合物的分離效率、分離后純度和不銹鋼網(wǎng)的重復(fù)使用能力，探究不銹鋼網(wǎng)的油水分離性能。

1 試驗(yàn)

1.1 材料

主要材料：不銹鋼網(wǎng)，304材質(zhì)，300目，絲徑為0.04 mm，孔徑為0.05 mm，江蘇天寧鎂杰絲網(wǎng)有限公司；無水乙醇（C2H5OH）、氯化鐵（FeCl3·6H2O）、鹽酸（HCl，36%）、硫酸鎳（NiSO4·6H2O）、氯化鎳（NiCl2·6H2O）、丙酸（CH3CH2COOH）、檸檬酸銨（C6H5O7(NH4)3）、氨水（NH3·H2O，25%）、硫酸鈉（Na2SO4）、冰乙酸（CH3COOH）、硬脂酸（CH3(CH2)16COOH），均為分析純，購于天津大茂化學(xué)試劑廠；納米二氧化硅（SiO2，20 nm），上海中冶新材料有限公司。

1.2 裝置

文中采用的雙面復(fù)合電刷鍍裝置如圖1所示。該裝置主要包括夾具、直流電源系統(tǒng)、電鍍液循環(huán)系統(tǒng)、陽極移動(dòng)控制系統(tǒng)。將304不銹鋼網(wǎng)作為陰極固定在夾具上，并與電源負(fù)極相連。將321不銹鋼塊（有效面積：長度40 mm、寬度15 mm）作為陽極固定在陽極移動(dòng)控制系統(tǒng)上（行程150 mm），并使用滌綸布和脫脂棉對(duì)其進(jìn)行包覆，包覆厚度約為4 mm；通過直流電機(jī)的帶動(dòng)，沿著樣品表面進(jìn)行往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，電鍍液通過循環(huán)系統(tǒng)從脫脂棉中不斷析出，電鍍液中的金屬離子在陰極表面還原并沉積，從而形成鍍層。

圖1 雙面復(fù)合電刷鍍加工裝置

1.3 工藝流程

1）溶液配制。使用超聲波分散儀和磁力攪拌器配置三氯化鐵刻蝕液（FeCl310 g，HCl 50 mL，H2O 100 mL）、硬脂酸乙醇溶液（0.05 mol/L）、過渡鍍層鍍液（溶液A）、工作鍍層鍍液（溶液B），電鍍液組分如表1所示。

2）樣品前處理。裁剪樣品（長度200 mm、寬度100 mm），并依次用丙酮、去離子水超聲清洗10 min，在80 ℃鼓風(fēng)干燥箱中烘干后密封備用。將樣品置于氯化鐵刻蝕液中，浸蝕3 min，經(jīng)去離子水沖洗5 min后烘干備用。

3）雙面復(fù)合電刷鍍。在電壓15 V、時(shí)間30 s、速度8 m/min、溫度25 ℃條件下刷鍍過渡鍍層，以提高工作鍍層與基底間的結(jié)合力；在不同工藝參數(shù)下刷鍍工作鍍層，以獲得質(zhì)量較優(yōu)的鍍層；在每道工序結(jié)束后使用去離子水沖洗樣品，防止電鍍液殘留及相互污染，然后置于80 ℃鼓風(fēng)干燥箱中充分干燥后備用。

4）低表面能處理。將刷鍍完成的樣品在硬脂酸乙醇溶液中浸泡30 min，然后取出并置于鼓風(fēng)干燥箱中，在120 ℃的環(huán)境下烘干20 min后取出，即得超疏水不銹鋼網(wǎng)。

表1 電鍍液組分

Tab.1 Ingredients of electroplating solution

1.4 性能表征

采用接觸角測(cè)量儀（KINO, SL200KS, 美國）測(cè)定樣品表面水滴（5 μL）的接觸角和滾動(dòng)角，并設(shè)定樣品上表面為面，下表面為面。使用掃描電子顯微鏡（FEI, QUANTA 450, 美國）觀察樣品的表面微觀形貌，使用X射線能譜儀、X射線衍射儀（BRUKER, D8 Advance X, 德國）分析樣品表面的化學(xué)成分。使用自行搭建的油水分離裝置開展油水分離試驗(yàn)。在試驗(yàn)后測(cè)試并計(jì)算分離純度和分離效率，采用傅里葉變換紅外光譜儀（Thermo Fisher Scientific, iS50, 美國）測(cè)量分析分離純度；分離效率通過測(cè)量分離前后油的質(zhì)量進(jìn)行計(jì)算，分離效率計(jì)算見式(1)。

式中：為油水分離效率；1為分離前油質(zhì)量；2為分離后油質(zhì)量。

2 結(jié)果與分析

2.1 極端潤濕性形成機(jī)理

采用硬脂酸乙醇溶液降低刷鍍處理后不銹鋼網(wǎng)的表面能，得到超疏水不銹鋼網(wǎng)，觀察水滴在未經(jīng)處理的不銹鋼網(wǎng)表面和超疏水不銹鋼網(wǎng)表面的接觸角和形態(tài)。水滴在未經(jīng)刷鍍處理的不銹鋼網(wǎng)表面呈半球狀，水滴在其表面的接觸角為120°，無法從表面滾落，如圖2a所示。在刷鍍液溫度為25 ℃、刷鍍速度為8 m/min條件下，以15 V的刷鍍電壓刷鍍3 min后，不銹鋼網(wǎng)表面顏色變暗，水滴在其表面呈球狀，接觸角為159°，滾動(dòng)角為7°，如圖2b所示。采用掃描電子顯微鏡（SEM）觀測(cè)刷鍍處理前后不銹鋼網(wǎng)的微觀形貌，結(jié)果表明，未經(jīng)刷鍍處理的不銹鋼網(wǎng)表面光滑，僅存在由拔絲工藝產(chǎn)生的紋理狀結(jié)構(gòu)，如圖3a所示；經(jīng)過刷鍍處理后，在不銹鋼網(wǎng)表面形成了致密且分布均勻的花椰菜狀微/納米級(jí)粗糙結(jié)構(gòu)，如圖3b所示。為了探究該鍍層的元素組成，測(cè)試了鍍層表面X射線能譜（EDS）和X射線衍射圖譜（XRD），結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，鍍層的主要元素為鎳，表明電鍍液中的鎳離子在外加電場(chǎng)作用下成功沉積到不銹鋼網(wǎng)表面。此外，鍍層表面含有少量硅元素，這是由于不溶性納米SiO2顆粒沉積在鍍層表面，與花椰菜狀微觀結(jié)構(gòu)組成微/納米級(jí)粗糙結(jié)構(gòu)。表面微/納米結(jié)構(gòu)和低表面能對(duì)超疏水性能獲得的起到了關(guān)鍵作用。在低表面能修飾過程中，硬脂酸中的羧基基團(tuán)（—COOH）發(fā)生縮合反應(yīng)，使硬脂酸中的疏水基團(tuán)通過酯基（—COO—）結(jié)合到不銹鋼網(wǎng)表面，從而降低了表面能[36]。由此可見，鍍層表面的微/納米級(jí)粗糙結(jié)構(gòu)和低表面能使不銹鋼網(wǎng)呈超疏水性。

圖2 刷鍍前后不銹鋼網(wǎng)的實(shí)物照片

圖3 刷鍍前后不銹鋼網(wǎng)的SEM照片

2.2 刷鍍電壓對(duì)表面潤濕性的影響

刷鍍電壓的選取決定電流密度的高低，進(jìn)而影響金屬離子還原沉積速度和鍍層質(zhì)量，最終影響鍍層的表面潤濕性。以刷鍍時(shí)間3 min、刷鍍速度8 m/min、刷鍍溫度25 ℃為基礎(chǔ)試驗(yàn)條件，探究刷鍍電壓對(duì)鍍層表面潤濕性的影響。在不同刷鍍電壓下，水滴的接觸角和滾動(dòng)角如圖5所示，樣品面的微觀形貌如圖6所示。首先分析刷鍍電壓對(duì)樣品面潤濕性的影響，未對(duì)不銹鋼網(wǎng)進(jìn)行刷鍍時(shí)，經(jīng)過硬脂酸乙醇溶液浸泡處理后不銹鋼網(wǎng)的接觸角為123°。當(dāng)刷鍍電壓為0～15 V時(shí)，從SEM圖片可以看出，隨著刷鍍電壓的不斷提高，不銹鋼網(wǎng)表面覆蓋的花椰菜狀微/納米級(jí)粗糙結(jié)構(gòu)逐漸增多，進(jìn)而導(dǎo)致不銹鋼網(wǎng)表面的水滴接觸角逐漸提高、滾動(dòng)角逐漸減小。當(dāng)刷鍍電壓為15 V時(shí)，超疏水不銹鋼網(wǎng)的水滴接觸角為159°、滾動(dòng)角為7°。當(dāng)刷鍍電壓超過15 V時(shí)，由于刷鍍電壓過大，金屬晶核生長速度過快，鍍層表面結(jié)構(gòu)發(fā)生團(tuán)聚粗化，形成更大尺寸的花椰菜狀微/納米級(jí)粗糙結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致不銹鋼網(wǎng)表面的水滴接觸角略微降低，滾動(dòng)角略微增加，超疏水性有所下降。水滴在樣品面的接觸角和滾動(dòng)角與面無明顯差異，即所制備的不銹鋼網(wǎng)兩面具有均勻潤濕性，因此后續(xù)探究其他工藝參數(shù)對(duì)鍍層表面潤濕性的影響均以樣品的面為分析對(duì)象。根據(jù)刷鍍電壓對(duì)鍍層表面潤濕性的影響，在后續(xù)試驗(yàn)中均采用15 V刷鍍電壓制備極端潤濕性不銹鋼網(wǎng)。

2.3 刷鍍時(shí)間對(duì)表面潤濕性的影響

刷鍍時(shí)間主要影響鍍層的厚度及鍍層表面微/納米結(jié)構(gòu)。在刷鍍電壓為15 V、刷鍍速度為8 m/min、刷鍍溫度為25 ℃條件下，探究刷鍍時(shí)間對(duì)鍍層表面潤濕性的影響。在不同刷鍍時(shí)間下，水滴的接觸角和滾動(dòng)角如圖7所示，鍍層表面的微觀形貌如圖8所示。當(dāng)刷鍍時(shí)間為0～3 min時(shí)，從SEM圖片可以看出，隨著刷鍍時(shí)間的不斷增加，不銹鋼網(wǎng)表面開始沉積出微小的乳突狀結(jié)構(gòu)，并逐漸生長為花椰菜狀微/納米級(jí)粗糙結(jié)構(gòu)。當(dāng)刷鍍時(shí)間為3 min時(shí)，超疏水不銹鋼網(wǎng)的水滴接觸角為159°、滾動(dòng)角為7°。當(dāng)刷鍍時(shí)間超過3 min時(shí)，鍍層的接觸角、滾動(dòng)角無明顯改變。隨著刷鍍時(shí)間的增加，鍍層厚度增大，導(dǎo)致不銹鋼網(wǎng)的絲徑增加、空隙減小，當(dāng)鍍層厚度過大時(shí)，鍍層的內(nèi)應(yīng)力會(huì)增大，進(jìn)而導(dǎo)致裂紋率增大，鍍層與基底的結(jié)合強(qiáng)度下降，鍍層易出現(xiàn)脫落破裂等問題，對(duì)超疏水不銹鋼網(wǎng)的使用壽命造成較大影響。故后續(xù)采用刷鍍時(shí)間為3 min對(duì)不銹鋼網(wǎng)進(jìn)行加工。

圖4 鍍層的EDS譜圖和XRD譜圖

圖5 不銹鋼網(wǎng)的接觸角與滾動(dòng)角隨刷鍍電壓的變化情況

圖6 不銹鋼網(wǎng)在不同刷鍍電壓下的SEM照片

圖7 不銹鋼網(wǎng)的接觸角和滾動(dòng)角隨刷鍍時(shí)間的變化情況

圖8 不銹鋼網(wǎng)在不同刷鍍時(shí)間下的SEM照片

2.4 刷鍍速度對(duì)表面潤濕性的影響

刷鍍速度反映工具陽極與工件陰極間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，合理的刷鍍速度可有效提高鍍層的沉積速度。在刷鍍電壓為15 V、刷鍍時(shí)間為3 min、刷鍍溫度為25 ℃條件下，探究刷鍍速度對(duì)鍍層表面潤濕性的影響。在不同刷鍍速度下，水滴的接觸角和滾動(dòng)角如圖9所示，鍍層的微觀形貌如圖10所示。當(dāng)刷鍍速度較慢時(shí)，工具陽極與工件陰極之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)對(duì)電鍍液起到的攪拌作用相對(duì)較弱，鍍層沉積速度過快且電鍍液中沉積區(qū)域的金屬陽離子不能得到及時(shí)補(bǔ)充，進(jìn)而導(dǎo)致鍍層微觀結(jié)構(gòu)粗化、鍍層表面均勻性較差，嚴(yán)重影響了鍍層質(zhì)量。隨著刷鍍速度的提高，攪拌作用使得電鍍液中的金屬陽離子有效補(bǔ)充了沉積區(qū)域的金屬陽離子，獲得的鍍層表面均勻性較好。當(dāng)刷鍍速度為8 m/min時(shí)，超疏水不銹鋼網(wǎng)的水滴接觸角為159°、滾動(dòng)角為7°。當(dāng)刷鍍速度大于8 m/min后，電鍍液中的金屬陽離子來不及沉積到不銹鋼網(wǎng)表面，導(dǎo)致沉積在樣品表面的金屬離子減少，鍍層無法得到充分生長，同時(shí)不均勻生長現(xiàn)象明顯，因此水滴的接觸角減小，滾動(dòng)角增大。故后續(xù)采用刷鍍速度為8 m/min對(duì)不銹鋼網(wǎng)進(jìn)行加工。

圖9 不銹鋼網(wǎng)的接觸角和滾動(dòng)角隨刷鍍速度的變化情況

圖10 不銹鋼網(wǎng)在不同刷鍍速度下的SEM照片

2.5 刷鍍溫度對(duì)表面潤濕性的影響

刷鍍溫度會(huì)影響電鍍液的物化性能，從而影響刷鍍過程及鍍層的表面潤濕性。在刷鍍電壓為15 V、刷鍍時(shí)間為3 min、刷鍍速度為8 m/min條件下，探究刷鍍溫度對(duì)鍍層表面潤濕性的影響。在不同刷鍍溫度下，水滴的接觸角和滾動(dòng)角如圖11所示，鍍層表面的微觀形貌如圖12所示。當(dāng)電鍍液溫度為15 ℃時(shí)，離子活性較低，鍍層沉積速度過慢，鍍層表面微觀結(jié)構(gòu)無法充分生長。當(dāng)電鍍液溫度為25～35 ℃時(shí)，鍍層表面的微觀結(jié)構(gòu)得到充分生長，在不銹鋼網(wǎng)表面得到了分布致密均勻的花椰菜狀微/納米級(jí)粗糙結(jié)構(gòu)。當(dāng)刷鍍溫度為25 ℃時(shí)，超疏水不銹鋼網(wǎng)的水滴接觸角為159°、滾動(dòng)角為7°。當(dāng)電鍍液溫度超過35 ℃時(shí)，電鍍液不能及時(shí)帶走熱量，導(dǎo)致鍍層表面結(jié)構(gòu)粗化，水滴的接觸角減小，滾動(dòng)角增大。故后續(xù)采用刷鍍溫度25 ℃對(duì)不銹鋼網(wǎng)進(jìn)行加工。綜上所述，較優(yōu)的電刷鍍工藝參數(shù)為：刷鍍電壓15 V，刷鍍時(shí)間3 min，刷鍍速度8 m/min，刷鍍溫度25 ℃。

圖11 不銹鋼網(wǎng)的接觸角和滾動(dòng)角隨刷鍍溫度的變化情況

圖12 不銹鋼網(wǎng)在不同刷鍍溫度下的SEM照片

2.6 油水分離性能

在確定的較優(yōu)工藝參數(shù)下制備出具有良好極端潤濕性的不銹鋼網(wǎng)，并對(duì)其開展油水分離試驗(yàn)。首先量取15 g油和45 g去離子水，混合后緩慢倒入分離裝置內(nèi)，使用高速相機(jī)記錄試驗(yàn)過程。不同輕（正己烷、十六烷、柴油、花生油）重（二氯甲烷）油水混合物的分離試驗(yàn)過程如圖13a所示。通常油的表面張力（o<40 mN/m）低于水的表面張力（w=72 mN/m），因此根據(jù)楊氏方程，超疏水材料通常表現(xiàn)為超親油特性[4]。試驗(yàn)裝置以10°的傾斜角固定在鐵架臺(tái)上，保證在分離過程中油和水可以同時(shí)接觸到不銹鋼網(wǎng)表面。由于所制備的不銹鋼網(wǎng)具有超疏水–超親油特性，因此油在接觸到不銹鋼網(wǎng)后，迅速在其表面鋪展，滲入網(wǎng)孔中并穿透，最終進(jìn)入收集容器，而當(dāng)水在接觸到不銹鋼網(wǎng)時(shí)無法通過，被截留在濾網(wǎng)的一側(cè)，從而實(shí)現(xiàn)油水混合物的高效分離。分離后5種油的傅里葉光譜（FTIR）如圖13b所示，所有吸收峰均由烷類和脂類特征振動(dòng)產(chǎn)生的。在2 856～2 958 cm?1區(qū)間的波峰對(duì)應(yīng)CH2和CH32個(gè)基團(tuán)中C—H的拉伸振動(dòng)，在1 740 cm?1處的波峰對(duì)應(yīng)C==O的拉伸振動(dòng)，在1 462 cm?1和1 372 cm?1處的波峰對(duì)應(yīng)CH3基團(tuán)中C—H的彎曲振動(dòng)，在720 cm?1處的波峰對(duì)應(yīng)(CH2)的搖擺振動(dòng)。水中的羥基（O—H）伸縮振動(dòng)和彎曲振動(dòng)產(chǎn)生的特征吸收峰波數(shù)大于3 000 cm?1，而在測(cè)試得到的傅里葉光譜中大于3 000 cm?1波段未出現(xiàn)波峰，表明經(jīng)過油水分離試驗(yàn)得到的油純度較高。然后對(duì)不同類型油水混合物分離后水的純度進(jìn)行了測(cè)試分析。由于水中含油量極少，因此需采用四氯化碳溶劑將油進(jìn)行萃取分離，根據(jù)FTIR光譜吸收峰的強(qiáng)度計(jì)算油的含量。由圖13c結(jié)果可知，分離后水的含油量均在100 mg/L以下，表明分離純度較高。分離效率是衡量超疏水不銹鋼網(wǎng)油水分離性能的另一重要指標(biāo)。采用該超疏水不銹鋼網(wǎng)對(duì)幾種不同種類油和水的混合物的分離效率如圖13d所示，對(duì)正己烷、十六烷、柴油、花生油、二氯甲烷的分離效率分別為97.36%、98.12%、97.02%、95.72%和97.84%。盡管試驗(yàn)過程中油掛壁、揮發(fā)等現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致分離效率有所降低，但結(jié)果表明幾種不同種類油和水混合物的分離效率均在95%以上。在實(shí)際使用中，不僅要求超疏水不銹鋼網(wǎng)對(duì)油水混合物具有較高的分離純度和分離效率，同時(shí)還需要具備穩(wěn)定的重復(fù)使用能力。對(duì)正己烷/水混合物20次分離試驗(yàn)的分離效率變化如圖13e所示，結(jié)果表明，在20次重復(fù)試驗(yàn)中，不銹鋼網(wǎng)的性能未受到明顯影響，分離效率維持在95%以上，表明所制備的超疏水不銹鋼網(wǎng)具有穩(wěn)定的重復(fù)使用能力。由此可見，通過雙面復(fù)合電刷鍍工藝制備的不銹鋼網(wǎng)具有較好的油水分離性能。

圖13 超疏水不銹鋼網(wǎng)分離油水混合物

3 結(jié)論

1）提出了一種雙面復(fù)合電刷鍍工藝，可在不銹鋼網(wǎng)兩面同時(shí)構(gòu)建微/納米級(jí)粗糙結(jié)構(gòu)，經(jīng)低表面能修飾后，得到適用于油水分離的超疏水不銹鋼網(wǎng)。

2）研究了雙面復(fù)合電刷鍍工藝參數(shù)對(duì)不銹鋼網(wǎng)的表面微結(jié)構(gòu)和潤濕性的影響規(guī)律。當(dāng)刷鍍電壓為15 V，刷鍍時(shí)間為3 min，刷鍍液溫度為25℃、刷鍍速度為8 m/min時(shí)，所得不銹鋼網(wǎng)的表面超疏水性較好，接觸角可達(dá)159°，滾動(dòng)角為7°。

3）驗(yàn)證了制備的超疏水不銹鋼網(wǎng)對(duì)多種油水混合物的分離性能。在較優(yōu)工藝參數(shù)下制備的不銹鋼網(wǎng)具有良好的油水分離性能，對(duì)于正己烷、十六烷、柴油、花生油、二氯甲烷等不同類型的油水混合物，分離效率均達(dá)到95%以上，分離后純度較高，且具備穩(wěn)定的重復(fù)使用能力，在海洋溢油清理等領(lǐng)域有良好的應(yīng)用前景。

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Superhydrophobic Stainless Steel Mesh Prepared by Double-sided Composite Electroplating and Its Application in Oil-Water Separation

,,,,,

(School of Mechanical Engineering, Dalian University of Technology, Liaoning Dalian 116024, China)

This work aims to develop a double-sided composite electroplating process for preparing superhydrophobic stainless steel mesh to achieve oil-water separation. A set of self-assembled double-sided composite electroplating setups was established. The stainless steel mesh was sequentially subjected to pre-treatment, electroplating of transition coating, electroplating of working coating, and low surface energy modification, and the stainless steel mesh with good superhydrophobicity was then obtained. The influences of the electroplating parameters including the electroplating voltage, electroplating time, electroplating speed, and electroplating temperature on the surface microstructures and wettability of the stainless steel mesh were investigated. The surface wettability, surface morphologies, chemical compositions and oil-water separation performance of the as-prepared stainless steel mesh were tested and analyzed by contact angle meter, scanning electron microscopy, energy dispersive X-ray spectroscopy, and Fourier transforms infrared spectrum. Cauliflower-like micro/nano rough structures were uniformly formed on the surface of the stainless steel mesh by using the double-sided composite electroplating process. The main components of the electroplating coating were nickel and contains traces of silica nanoparticles. Under the conditions of electroplating temperature of 25 ℃ and electroplating speed of 8 m/min, the contact angle and rolling angle of the superhydrophobic stainless steel mesh were fabricated by electroplating 3 min under 15 V voltage reached 159° and 7°, respectively. The prepared superhydrophobic stainless steel mesh had excellent oil-water separation performance, and the separation efficiencies for hexane, dichloromethane and other oil-water mixtures were larger than 95% and the separation purity is high. The superhydrophobic double-sided stainless steel mesh could be easily and conveniently fabricated by the double-sided composite electroplating process. The superhydrophobic stainless steel mesh can efficiently separate various oil-water mixtures and has promising application prospects in the treatment for oil at sea.

electroplating; nickel coating, superhydrophobicity; superoileophilicity; stainless steel mesh; oil/water separation

TQ153

A

1001-3660(2022)05-0363-11

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.05.037

2022–02–24；

2022–03–25

2022-02-24；

2022-03-25

大連理工大學(xué)基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)重點(diǎn)基地平臺(tái)科研專題項(xiàng)目（DUT21LAB120）

Fundamental Research Funds for the Central Universities (DUT21LAB120)

金亦輝（1997—），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榉莻鹘y(tǒng)加工技術(shù)與裝備。

JIN Yi-hui (1997-), Male, Postgraduate, Research focus: non-traditional machining technology and equipment.

宋金龍（1987—），男，博士，研究員，主要研究方向?yàn)榉莻鹘y(tǒng)加工技術(shù)與裝備。

SONG Jin-long (1987-), Male, Doctor, Professor, Research focus: non-traditional machining technology and equipment.

金亦輝, 潘維浩, 周瑜陽, 等. 超疏水不銹鋼網(wǎng)雙面復(fù)合電刷鍍制備法及其油水分離應(yīng)用[J]. 表面技術(shù), 2022, 51(5): 363-373.

JIN Yi-hui, PAN Wei-hao, ZHOU Yu-yang, et al. Superhydrophobic Stainless Steel Mesh Prepared by Double-sided Composite Electroplating and Its Application in Oil-Water Separation[J]. Surface Technology, 2022, 51(5): 363-373.

責(zé)任編輯：彭颋