申请日2018.01.31
公开(公告)日2018.06.15
IPC分类号C08L9/04; C08L101/00; C08K3/34; C08J9/00; B01D39/16; C02F1/00; B33Y70/00
摘要
本发明属于技术领域，提供了一种3D打印的污水处理海绵材料及制备方法，将丁腈橡胶粉末活化后分散成乳胶，再加入纳米高岭土并吸附于胶乳颗粒表层，通过流化喷雾包覆于热固性聚合物粉末外层，将该原料通过3D打印机喷头喷成短丝缠结，表层橡胶软化粘结短丝并固化，制成轻软的污水处理海绵材料。其显著效果是制备污水处理材料的过程快速经济，成本降低，可以实现大规模生产;同时短丝之间牢固粘结，过滤材料强度高，能承受较大变形;能过滤污水中粒径很小的杂质颗粒，实现高效除污，所得处理后的水质能达到排放标准。
权利要求书
1.一种3D打印的污水处理海绵材料的制备方法，其特征在于：将丁腈橡胶粉末活化后分散成乳胶，再加入纳米高岭土，通过流化喷雾包覆于热固性聚合物粉末外层，将该原料通过3D打印机喷头喷成短丝缠结制成轻软的污水处理海绵材料，其具体步骤如下：
S01：将丁腈橡胶研磨成0.1-1um的颗粒状粉末，高温加热使其分散成乳胶;
S02：向丁腈橡胶乳胶中加入纳米高岭土，混合均匀使纳米高岭土吸附于胶乳颗粒表层;
S03：将混合均匀后的乳胶通过流化喷雾包覆于热固性聚合物粉末外层完成原料制备;
S04：将制备好的原料通过3D打印机喷头喷成短丝缠结制成轻软的污水处理海绵材料。
2.根据权利要求1所述一种3D打印的污水处理海绵材料制备方法，其特征在于：所述高温加热的温度为200-300℃。
3.根据权利要求2所述一种3D打印的污水处理海绵材料制备方法，其特征在于：步骤S02中所述纳米高岭土的粒径为50-100nm。
4.根据权利要求3所述一种3D打印的污水处理海绵材料制备方法，其特征在于：所述纳米高岭土与丁腈橡胶乳胶的质量比为1:3。
5.根据权利要求1所述一种3D打印的污水处理海绵材料制备方法，其特征在于：所述流化喷雾包覆于热固性聚合物粉末外层的厚度为0.5-1um。
6.根据权利要求5所述一种3D打印的污水处理海绵材料制备方法，其特征在于：所述热固性聚合物粉末的颗粒直径为5-10um。
7.根据权利要求6所述一种3D打印的污水处理海绵材料制备方法，其特征在于：所述流化喷雾时热固性聚合物粉末通过高温反应釜加热至80-150℃，。
8.根据权利要求7所述一种3D打印的污水处理海绵材料制备方法，其特征在于：所述流化喷雾在高温反应釜中进行。
9.权利要求1～8任一项所述方法制备得到的3D打印的污水处理海绵材料。
说明书
一种3D打印的污水处理海绵材料及制备方法
技术领域
本发明属于污水处理领域，具体涉及一种3D打印的污水处理海绵材料及制备方法。
背景技术
污水处理按照其作用可分为物理法、生物法和化学法三种。
①物理法:主要利用物理作用分离污水中的非溶解性物质，在处理过程中不改变化学性质。常用的有重力分离、离心分离、反渗透、气浮等。物理法处理构筑物较简单、经济，用于村镇水体容量大、自净能力强、污水处理程度要求不高的情况。
②生物法:利用微生物的新陈代谢功能，将污水中呈溶解或胶体状态的有机物分解氧化为稳定的无机物质，使污水得到净化。常用的有活性污泥法和生物膜法。生物法处理程度比物理法要高。
③化学法:是利用化学反应作用来处理或回收污水的溶解物质或胶体物质的方法，多用于工业废水。常用的有混凝法、中和法、氧化还原法、离子交换法等。化学处理法处理效果好、费用高，多用作生化处理后的出水，作进一步的处理，提高出水水质。
污水处理常用产品有:石英砂滤料、无烟煤滤料、聚合氯化铝、活性炭、蜂窝斜管填料、纤维球滤料、石榴石沙等聚丙烯酰胺产品简介:聚丙烯酰胺(PAM)为水溶性高分子聚合物，不溶于大多数有机溶剂，具有良好的絮凝性，可以降低液体之间的磨擦阻力，按离子特性分可分为非离子、阴离子、阳离子和两性型四种类型。
污水处理药剂品种很多，最常用是絮凝剂，絮凝剂可以分为无机絮凝剂和有机絮凝剂。无机絮凝剂如果按分子量的大小分为低分子量和高分子量无机絮凝剂。应用最广泛的是铁系、铝系金属盐。市场主流的有氯化铝，三氯化铁、硫酸亚铁和硫酸铝等。三氯化铁的水分子式(FeCl3·6H20)，特点:形成的矾花沉淀性好，处理低温水或低浊度水效果比铝盐好，适宜pH值范围较宽，但处理后水的色度比铝系的高，有腐蚀性。硫酸亚铁的分子式是(FeS04·H20)，特点:离解出的Fe2+只能生成最简单的单核络合物，不如三价铁盐有良好的混凝效果。硫酸铝的分子式是 Al2(S04)3，特点:是废水处理中使用最多的絮凝剂，使用便利，絮凝效果好，当水温低时水解困难，形成的絮体较松散，它的有效pH值范围较窄。明矶(Al2(S04)3·K2S04.24H20)的作用机理与硫酸铝比较相似。高分子无机絮凝剂，无机分子絮凝剂混凝效果高、价格低，是最主流无机絮凝药剂。无机高分子絮凝剂的品种按离子度不同可分为阳离子型和阴离子型阳离子型:有聚合氯化铝、聚合硫酸铝、聚合磷酸铝、聚合硫酸铁、聚合氯化铁、聚合磷酸铁、聚亚铁等。聚合氯化铝(cpolyaluminium chLoricle)是一类新型的主流无机高分子絮凝剂，由于其在水处理中较传统的无机药剂有更高的功效，所以才会迅速的发展和广泛的应用。阴离子型无机絮凝剂品种较少，是2013年较为主流的是聚合硅酸。有机絮凝剂分为离子型和非离子型。离子型有机絮凝剂，即能改变颗粒表面电荷，又能起桥链作用，引起絮凝。如聚丙烯酰胺(也称3絮凝剂)。用于加速浓密池精矿的快速沉降。从而降低精矿含水，较少金属流失。有机絮凝剂一般分子量比较大，通常达几万、几十万、甚至上百万，故添少量添加即可起到桥链作用。
目前，市政供应的饮用水都经过了净化处理，所采取的处理方法通常有粗过滤和反渗透精细过滤工艺。水过滤材料的制备工艺因对过滤孔径的精确控制而较为繁琐，导致成本较高，规模化生产存在一定障碍，因此，亟需寻找一种既能实现低成本制备污水处理材料，又能控制过滤孔径的生产工艺。
发明内容
本发明的目的是提供一种3D打印的污水处理海绵材料及制备方法，制备污水处理材料的过程快速经济，成本降低，可以实现大规模生产;同时短丝之间牢固粘结，过滤材料强度高，能承受较大变形;能过滤污水中粒径很小的杂质颗粒，实现高效除污，所得处理后的水质能达到排放标准。
本发明涉及的具体技术方案如下：
一种3D打印的污水处理海绵材料制备方法，将丁腈橡胶粉末活化后分散成乳胶，再加入纳米高岭土，通过流化喷雾包覆于热固性聚合物粉末外层，将该原料通过3D打印机喷头喷成短丝缠结制成轻软的污水处理海绵材料，其具体步骤如下：
S01：将丁腈橡胶研磨成0.1-1um的颗粒状粉末，高温加热使其分散成乳胶;
S02：向丁腈橡胶乳胶中加入纳米高岭土，混合均匀使纳米高岭土吸附于胶乳颗粒表层;
S03：将混合均匀后的乳胶通过流化喷雾包覆于热固性聚合物粉末外层完成原料制备;
S04：将制备好的原料通过3D打印机喷头喷成短丝缠结制成轻软的污水处理海绵材料。
丁腈橡胶粉末主体组成是丁二烯丙烯腈聚合物，丁二烯丙烯腈聚合物是一种强度高、韧性好、易于加工成型的热塑型高分子材料，是丙烯腈(ACRYLONITRILE)、1,3- 丁二烯(BUTADIENE)、苯乙烯(STYRENE)三种单体的接枝共聚物，鉴于丁二烯丙烯腈聚合物的热塑性，将其研磨成分散的颗粒并加热成乳胶状，使其具备较高的流动性，然后加入纳米级的高岭土，使其均匀分散在丁二烯丙烯腈聚合物乳胶中，同时基于丁二烯丙烯腈聚合物的热塑性，当其降温冷却以后，纳米高岭土则吸附于胶乳颗粒表层，形成纳米高岭土包裹丁二烯丙烯腈聚合物的颗粒状，使得大量丁二烯丙烯腈聚合物聚集在一起形成的胶体中均匀掺杂纳米级的高岭土，从而使得高岭土与丁二烯丙烯腈聚合物形成的混合胶体也具备了较高的流动性，克服了传统高岭土流动性较差的特点，使得高岭土与丁二烯丙烯腈聚合物形成混合后具备粘稠不易分散，且具备较高的流动性和热塑性，从而改变了高岭土的传统特性。
高岭土类矿物是由高岭石、地开石、珍珠石、埃洛石等高岭石簇矿物组成， 主要矿物成分是高岭石。高岭石的晶体化学式为2SiO2·Al2O3·2H2O，其理论化学组成为46.54%的SiO2，39.5%的Al2O3，13.96%的H2O。高岭土类矿物属于1:1型层状硅酸盐，晶体主要由硅氧四面体和铝氧八面体组成，其中硅氧四面体以共用顶角的方式沿着二维方向连结形成六方排列的网格层，各个硅氧四面体未公用的尖顶氧均朝向一边;由硅氧四面体层和铝氧八面体层公用硅氧四面体层的尖顶氧组成了1:1型的单位层。
自然界中高岭土所包含的矿物主要分为粘土矿物和非粘土矿物。其中粘土矿物主要包含高岭石族矿物和少量的蒙脱石、云母和绿泥石;非粘土矿物主要包含长石、石英和招的水化物，还有一些铁矿物如赤铁矿、菱铁矿、褐铁矿等、钛矿物如金红石等和有机质如植物纤维等。决定高岭土性能的主要是粘土矿物。
本发明中使用的高岭土类型为粘土矿物，从而使其可以吸附于胶乳颗粒表层，高岭土本身具有较好的热塑性，湿土能塑成各种形状而不致破碎，并能长期保持不变，而丁腈橡胶粉末自身具备一定的弹性，因此掺杂高岭土以后的丁腈橡胶粉末形成的丁腈橡胶也具备了高岭土长的硬度，从而改善了丁腈橡胶的结构特性。
然后将改性后的丁腈橡胶乳胶通过流化喷雾包覆于热固性聚合物粉末外层完成原料制备，使得最后制备得到的海绵颗粒材料将丁腈橡胶和高岭土混合形成的多孔结构，使其具备了较高的吸附性，然后将制备得到的原材料通过3D打印机喷头喷成短丝缠结，使得表层橡胶软化粘结短丝并固化，形成疏松多孔的结构，将其用于污水处理，由于短丝之间牢固粘结，使其过滤材料强度高，能承受较大变形;能过滤污水中粒径很小的杂质颗粒，实现高效除污，所得处理后的水质能达到排放标准。
优选的，所述高温加热的温度为200-300℃。高温加热的目的是为了使丁腈橡胶粉末形成乳胶状，避免温度过高使其粘连，是本发明中的关键步骤。
优选的，步骤S02中所述纳米高岭土的粒径为50-100nm。
优选的，所述纳米高岭土与丁腈橡胶乳胶的质量比为1:3。
优选的，所述流化喷雾包覆于热固性聚合物粉末外层的厚度为0.5-1um。
优选的，所述热固性聚合物粉末的颗粒直径为5-10um。热固性聚合物(Thermosetting Polymer)一般先形成预聚物，成型时，经加热使其中潜在的官能团继续反应成交联结构而固化。这种转变时不可逆的，只能成型一次，再加热时不能熔融塑化，也不溶于溶剂，一般是体型聚合物，如酚醛树脂、硫化橡胶等。鉴于热固性聚合物的特性，本发明中在流化喷雾过程中对热固性聚合物粉末进行加热时应当注意控制加热的温度，防止热固性聚合物粉发生融化。
优选的，所述流化喷雾时热固性聚合物粉末通过高温反应釜加热至80-150℃，。
优选的，所述流化喷雾在高温反应釜中进行。
本发明与现有技术相比，其突出的特点和优异的效果在于：将丁腈橡胶粉末活化后分散成乳胶，再加入纳米高岭土并吸附于胶乳颗粒表层，通过流化喷雾包覆于热固性聚合物粉末外层，将该原料通过3D打印机喷头喷成短丝缠结，表层橡胶软化粘结短丝并固化，制成轻软的污水处理海绵材料。其显著效果是制备污水处理材料的过程快速经济，成本降低，可以实现大规模生产;同时短丝之间牢固粘结，过滤材料强度高，能承受较大变形;能过滤污水中粒径很小的杂质颗粒，实现高效除污，所得处理后的水质能达到排放标准。
