靜電紡微納米多級結(jié)構(gòu)纖維制備及其在油水分離中的應(yīng)用.pdf

1、本研究著眼于經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展過程中頻繁發(fā)生的危及生態(tài)環(huán)境和人類健康的油污泄漏問題,針對目前水面油污吸附材料吸油量小、選擇性差、回收難的問題,從材料本體結(jié)構(gòu)性能與吸附質(zhì)間的關(guān)系出發(fā),從材料的微納米多級結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)入手,研究和開發(fā)具有吸油倍率高、吸附速度快、易于回收、并可重復(fù)使用的水面油污吸附材料。水面漏油的有效控制與回收,既解決了油污帶來的危害,有效保護(hù)了生態(tài)環(huán)境,使相應(yīng)的產(chǎn)業(yè)資源和人類生活免受危害,又能避免能源浪費(fèi),減小經(jīng)濟(jì)損失,具有巨大的現(xiàn)實(shí)

2、意義和經(jīng)濟(jì)意義。
　　自然界中生物體經(jīng)過長期的演化創(chuàng)造出了豐富多樣的微納米多級結(jié)構(gòu),這些獨(dú)特的結(jié)構(gòu)賦予了生物體特殊、新穎的功能,如超疏水、結(jié)構(gòu)色、隔熱、高粘附特性等,為人類設(shè)計(jì)并制造新材料以滿足應(yīng)用需求提供了新的思路和學(xué)習(xí)途徑。近年來,靜電紡絲技術(shù)作為一種制備微納米纖維的有效方法,具有可紡原料范圍廣、纖維結(jié)構(gòu)可調(diào)性強(qiáng)、多元技術(shù)結(jié)合性強(qiáng)、制備工藝可擴(kuò)展等優(yōu)勢,越來越受到廣泛的關(guān)注,研究人員正試圖利用這種纖維制備技術(shù)來調(diào)控所制備的纖維

3、的微納米結(jié)構(gòu),以期獲得新穎的功能,滿足應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Σ牧瞎δ芎托阅艿囊蟆?br>　　本文首先回顧了自然界中廣泛存在的微納米多級結(jié)構(gòu)現(xiàn)象以及這些現(xiàn)象為新材料發(fā)展與應(yīng)用帶來的契機(jī),總結(jié)了基于靜電紡絲技術(shù)的微納米多級結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀,以利用高壓靜電場制備具有三維立體結(jié)構(gòu)的纖維膜材料為主線,通過聚合物溶液性質(zhì)、加工參數(shù)及環(huán)境濕度的調(diào)控,不經(jīng)過后處理工藝,一步獲得了不僅傳統(tǒng)紡絲技術(shù)無法得到的微納米纖維,而且賦予了纖維本身多級結(jié)構(gòu),如表面凸起、褶皺、孔洞

4、以及內(nèi)部孔隙等,大幅度提高了纖維的比表面積和孔體積,從而使其具有傳統(tǒng)纖維所不具備的結(jié)構(gòu)特征,綜合采用場發(fā)射掃描電鏡、氮?dú)馕椒治鰞x、同步輻射小角散射等表征手段研究了纖維的微納米多級結(jié)構(gòu),揭示了微納米多級結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理及調(diào)控機(jī)制,為規(guī)?；苽渚哂懈弑让娣e、高孔體積的多級結(jié)構(gòu)纖維奠定了基礎(chǔ);在此基礎(chǔ)上,研究了纖維本體結(jié)構(gòu)及微納米多級結(jié)構(gòu)對其表面潤濕性的影響,并將獲得的纖維應(yīng)用于油水分離,探討了纖維吸油機(jī)理與過程,研究了纖維結(jié)構(gòu)與吸油性能之間

5、的關(guān)系;通過多噴頭混合紡絲技術(shù)和核—?dú)ぜ徑z技術(shù)來調(diào)控纖維膜結(jié)構(gòu)、單纖維結(jié)構(gòu),以改善和優(yōu)化纖維的吸油性能。
　　論文取得的主要成果和結(jié)論如下:采用靜電紡絲技術(shù)一步制備出具有微納米多級結(jié)構(gòu)的聚苯乙烯纖維,其比表面積比相同情況下無微納米多級結(jié)構(gòu)的纖維的比表面積高出約67倍。研究表明:所制備的纖維是一種孔徑尺寸在介孔(2~50nm)和大孔(＞50nm)范圍內(nèi)的微納米多級結(jié)構(gòu)材料;纖維的表面形貌和內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)可以通過改變?nèi)芤褐懈?、低揮發(fā)性溶

6、劑的比例來調(diào)控;單一高揮發(fā)性溶劑,易形成塌陷的、表面多孔球?；虮砻娑嗫椎膸罾w維,隨著低揮發(fā)性溶劑比例的提高,球粒變成圓形或橢圓形,表面多孔纖維的截面變成圓形,表面變成褶皺,再變成光滑;纖維多級孔結(jié)構(gòu)的形成主要是由溶液射流在高速運(yùn)動(dòng)過程中發(fā)生的相分離(熱誘導(dǎo)相分離、非溶劑誘導(dǎo)相分離)與固化之間的競爭關(guān)系決定的,并隨著溶劑組成、環(huán)境濕度的改變而變化;紡絲過程中加工參數(shù)如溶液注射速度、電壓和纖維接收距離等,對單纖維的形貌具有一定的影響,為了

7、宏量制備可以在一定范圍內(nèi)調(diào)控;環(huán)境濕度是獲得具有高比表面積、高孔體積、微納米多結(jié)構(gòu)纖維的重要條件之一,一般維持在40％左右即可。通過在溶液中添加無機(jī)納米顆粒,制備出具有多級結(jié)構(gòu)的有機(jī)/無機(jī)雜化聚苯乙烯纖維,研究表明:無機(jī)納米顆粒在纖維中的分布可以通過改變混合溶劑中的高、低揮發(fā)性溶劑的組成比例來調(diào)控;對于含有一定量納米顆粒的雜化纖維,在高揮發(fā)性溶劑體系下,納米顆粒主要包埋于纖維內(nèi)部,表層分布較少,隨著低揮發(fā)性溶劑在混合體系中含量的增加,納

8、米顆粒逐漸由纖維的中心向其表層遷移,表層顆粒分布量逐漸增加;同一溶劑體系下,隨著納米顆粒添加量的增加,纖維表層分布的顆粒也增加;對于不同溶劑體系,高揮發(fā)性溶劑體系中納米顆粒對纖維的微納多級結(jié)構(gòu)幾乎沒有影響,隨著低揮發(fā)性溶劑含量的增加,雜化纖維膜的比表面積和總孔體積大幅度增加;單一低揮發(fā)性溶劑時(shí),纖維膜的孔體積增加,孔尺寸不改變,混合溶劑時(shí),纖維膜的孔尺寸和孔體積均增加;少量的納米顆粒幾乎不影響纖維的起始熱分解溫度,添加量較大時(shí),會(huì)降低纖

9、維的起始熱分解溫度。通過對纖維集合體表面潤濕性及其吸油性能的研究,獲得了影響纖維膜表而潤濕性的因素,闡明了相應(yīng)的調(diào)控機(jī)制,實(shí)現(xiàn)了纖維膜表面親—疏水性能的轉(zhuǎn)變,揭示了纖維的吸油機(jī)理及影響因素。研究表明:聚合物中所含基團(tuán)的性質(zhì)和纖維成形以后的表面形貌結(jié)構(gòu)決定著纖維表面的潤濕性,纖維表面的微納米多級結(jié)構(gòu),即表面的粗糙度,對表面的潤濕性或非潤濕性具有促進(jìn)作用;具有微納米多級結(jié)構(gòu)的聚苯乙烯纖維因其非極性、低表面能特性,具有良好的疏水—親油性,對機(jī)

10、油的吸附量可達(dá)113.87g/g;吸油過程是一個(gè)漸進(jìn)的動(dòng)態(tài)過程,即油先潤濕纖維表面,被吸附到纖維可觸及的外壁上,填充整個(gè)纖維之間的孔隙,然后在毛細(xì)作用下,向纖維內(nèi)部的孔隙鋪展,最終填滿這些孔結(jié)構(gòu);纖維的直徑、多孔結(jié)構(gòu)、比表面積和孔隙率等是影響纖維吸油量的主要因素;纖維之間堆積而產(chǎn)生孔隙對纖維膜的整體吸油量具有主導(dǎo)作用,并大于纖維本身多級結(jié)構(gòu)對總吸油量的貢獻(xiàn)。利用多噴頭混合紡絲技術(shù)在具有微納米多級結(jié)構(gòu)的聚苯乙烯纖維膜中混入一定量具有良好回

11、彈性和力學(xué)性能的聚氨酯纖維,獲得了具有良好機(jī)械性能和可重復(fù)使用的吸油材料,并得到了復(fù)合纖維膜結(jié)構(gòu)對吸油性能的影響規(guī)律,為制備高吸油、可重復(fù)使用吸油材料奠定了基礎(chǔ)。研究表明:聚氨酯纖維的混入使復(fù)合纖維膜的蓬松性降低,纖維集合體由棉花狀變成薄膜狀,纖維膜的比表面積、孔體積、表面與水的接觸角值、吸油量都隨著復(fù)合纖維膜中聚氨酯纖維含量的增加而減小,但纖維膜的機(jī)械性能提高;復(fù)合纖維膜的吸油量隨著重復(fù)使用次數(shù)的增加而降低,第一次重復(fù)使用降低幅度較大

12、,但第二次以后纖維膜吸油量降低的幅度較小通過核—?dú)れo電紡絲技術(shù)制備出了具有微納米多級結(jié)構(gòu)的聚氨酯增強(qiáng)聚苯乙烯復(fù)合纖維,在一定程度上克服了純聚苯乙烯纖維重復(fù)使用性能差、復(fù)合纖維膜吸油量低的問題,揭示了紡絲過程中溶液性質(zhì)、加工參數(shù)對纖維形貌結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律及纖維膜吸油性能的影響因素。結(jié)果表明:在紡絲條件一定的情況下,隨著核層溶液濃度的降低,纖維逐漸由扁平帶狀向近似圓形轉(zhuǎn)變,其比表面積和孔體積均增加,纖維具有了核—?dú)そY(jié)構(gòu),但纖維膜的蓬松性降低,

13、堆積密度變大,導(dǎo)致了其吸油量降低;對于高濃度核層溶液,高電壓紡絲獲得纖維表面具有納米孔,比表面積和孔體積比低電壓下紡絲獲得的表面光滑的纖維大,因而吸油量也大;在核、殼層溶液濃度一定的情況下,殼層中溶劑組成對復(fù)合纖維的結(jié)構(gòu)也具有一定的影響,但是鑒于纖維之間孔隙結(jié)構(gòu)對吸油量的影響程度大于單纖維結(jié)構(gòu)對吸油量的影響,此時(shí)纖維膜的吸油量變化不大;與純聚苯乙烯纖維膜相比,該纖維膜的斷裂伸長率提高約10~50倍,達(dá)50%以上,斷裂強(qiáng)度提高約3-5倍,

14、纖維膜使用5次以后,還具有傳統(tǒng)聚丙烯纖維無紡布的吸油量,相當(dāng)于羊毛基無紡布吸油量的3~5倍。本文采用簡單的一步法,直接制備出具有微納米多級結(jié)構(gòu)和高比表面積的纖維,獲得了微納米多結(jié)構(gòu)纖維的可控制備方法及調(diào)控規(guī)律,結(jié)合同步輻射光源軟X射線表征技術(shù),首次使用元素追蹤法研究了單根纖維的微納米結(jié)構(gòu)對纖維吸油量的影響,從材料應(yīng)用需求與結(jié)構(gòu)性能之間的關(guān)系從發(fā),通過多噴頭混合紡絲技術(shù)和核—?dú)ぜ徑z技術(shù)解決了高吸油量纖維機(jī)械性能差的問題,獲得了具有高彈性聚