氧化石墨填充聚丙烯復(fù)合材料多孔薄膜的結(jié)構(gòu)控制及吸附性能研究.pdf

1、隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，新型產(chǎn)品層出不窮，它們的出現(xiàn)一方面提高了人們的生活水平，但另一方面也不可避免地帶來了一系列環(huán)境問題，日益惡化的環(huán)境已經(jīng)對人們的日常生活造成了極大的影響，嚴(yán)重威脅著人們的身體健康。近些年來，水污染和空氣污染問題受到了廣泛關(guān)注，研究者已經(jīng)通過多種方式對相關(guān)的環(huán)境問題進(jìn)行治理，其中，薄膜分離及吸附技術(shù)以其高效、低成本、易于操作等優(yōu)點(diǎn)受到了研究者的廣泛青睞。但是，多孔薄膜結(jié)構(gòu)難于控制，采用傳統(tǒng)方法得到的多孔薄膜材料結(jié)構(gòu)單

2、一，功能性較弱，因此，需要通過引入功能性填料或改進(jìn)控制方法使薄膜材料具有更高的實(shí)用價值。
　　聚丙烯(Polypropylene，PP)作為世界五大通用塑料之一，以其低廉的成本以及優(yōu)異的綜合性能而被用作功能性薄膜的基體材料，PP基多孔薄膜材料具有力學(xué)性能優(yōu)異、尺寸穩(wěn)定性好、化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)異等諸多特性，從而被廣泛地應(yīng)用于污水處理、空氣凈化等領(lǐng)域。PP多孔薄膜材料可以通過多種方法制備得到，常用的方法主要有拉伸法、熱致相分離法、浸沒沉淀法

3、等。通過改變制備過程中的加工條件可以有效調(diào)控多孔薄膜材料的微孔參數(shù)，如孔隙率、平均孔徑尺寸、孔連通性等。進(jìn)一步對PP多孔薄膜進(jìn)行表面改性處理可以有效改善薄膜表面的親水性，賦予其一定的吸附性能，使得PP多孔薄膜材料更具應(yīng)用潛力。
　　本論文采用等規(guī)PP作為基體材料，通過熔融共混將石墨烯(Graphene，GE)或氧化石墨(Graphite oxide，GO)引入到PP基體中，并通過引入β成核劑(β-nucleatingagent，β

4、-NA)或成孔劑(Polyethyleneoctylphenyl-10，OP-10)等助劑制備得到復(fù)合材料，進(jìn)一步對復(fù)合材料進(jìn)行熔融模壓、單軸拉伸制備得到多孔薄膜材料，通過研究退火處理或改變拉伸速率、拉伸溫度、拉伸應(yīng)變等條件對成孔行為的影響，詳細(xì)闡述了不同組分的復(fù)合材料薄膜在不同加工條件下的成孔機(jī)理。以烯丙胺為反應(yīng)單體，采用等離子體改性技術(shù)對復(fù)合材料多孔薄膜進(jìn)行表面改性，通過研究薄膜表面的理化性質(zhì)及相關(guān)吸附性能，闡明了等離子體改性技術(shù)改

5、善PP薄膜表面親水性及吸附性能的作用機(jī)制。全文得到的主要結(jié)論如下:
　　(1)通過熔融共混制備得到PP/GE/β-NA復(fù)合材料，并對其結(jié)晶及熔融行為進(jìn)行了相關(guān)研究。結(jié)果表明，GE在PP基體中呈片層狀分布，分散狀況良好;GE對PP的α晶型具有一定的異相成核作用，但其成核效率低于β-NA;將兩者同時引入到PP基體中對提升其結(jié)晶能力具有一定的協(xié)同作用。兩者的協(xié)同作用效果在很大程度上依賴于結(jié)晶條件:在等溫結(jié)晶過程中，隨著結(jié)晶溫度的提高，兩

6、者的協(xié)同作用變得更加明顯;而在非等溫結(jié)晶過程中，隨著降溫速率的提升，兩者的協(xié)同作用會愈加顯著。對于不同的樣品而言，其熔融行為差異較大，不同的熔融峰對應(yīng)于不同填料誘導(dǎo)產(chǎn)生的晶體的熔融。由此可見，通過改變PP基復(fù)合材料的成分以及結(jié)晶條件，可以對其晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效控制。
　　(2)以β-PP為基體，通過引入一定含量的GO制備得到復(fù)合材料薄膜，再通過單軸拉伸的方式制備得到復(fù)合材料多孑孔薄膜，對復(fù)合材料薄膜的初始形貌進(jìn)行了研究，同時分析了不

7、同加工條件以及預(yù)處理方式對多孔薄膜材料成孔行為的影響。研究發(fā)現(xiàn)，隨著拉伸溫度的提高以及拉伸速率的減小，PP/β-NA/GO多孔薄膜的平均孔徑尺寸呈現(xiàn)增加的趨勢，同時，隨著拉伸溫度的降低以及拉伸速率的減小，PP/β-NA/GO多孔薄膜的孔隙率呈現(xiàn)增加的趨勢。GO的引入能夠使多孔薄膜的平均孔徑尺寸減小，同時使其孔隙率增加。PP/β-NA/GO多孔薄膜材料的孔隙率和平均孔徑尺寸均隨著拉伸應(yīng)變的增加而增加，但當(dāng)拉伸應(yīng)變過大時，多孔薄膜材料的孔隙

8、率會有所下降。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，退火處理能夠有效增加PP/β-NA/GO多孔薄膜材料的孔隙率和微孔結(jié)構(gòu)規(guī)整性，同時減小薄膜材料的平均孔徑尺寸。
　　(3)通過熔融共混的方法將OP-10成功地引入到PP基體中，通過單軸拉伸的方式制備得到了多孔薄膜材料，并研究了OP-10的引入對PP基多孔薄膜材料拉伸過程中成孔行為的影響。結(jié)果表明，OP-10的引入能夠誘導(dǎo)PP基體產(chǎn)生大量的初始微孔結(jié)構(gòu)，同時，OP-10的存在阻礙了PP基體的成核，最終導(dǎo)

9、致所得的PP晶體具有較小的晶片厚度。相比于PP多孔薄膜材料，OP-10的引入能夠顯著增加PP/OP-10多孔薄膜材料的有效孔隙率，在OP-10含量較高以及拉伸應(yīng)變較大的情況下，有效孔隙率的增加更加明顯;另外，初始微孔的存在能夠在一定程度上改變薄膜材料內(nèi)部的應(yīng)力場分布，引發(fā)更多微孔結(jié)構(gòu)的形成，改善多孔薄膜材料的孔連通性，增加其有效孔隙率。
　　(4)采用熔融共混將OP-10和GO同時引入到PP基體中，并進(jìn)一步通過熔融模壓、單軸拉伸的

10、方式制備得到復(fù)合材料薄膜，并對薄膜材料在拉伸過程中的成孔行為進(jìn)行了研究，研究為高孔隙率多孔薄膜的制備提供了一種簡單有效的方法。研究表明，一方面，分散性良好的GO可以改變PP基體內(nèi)部的應(yīng)力分布，誘導(dǎo)GO片層周圍的PP基體產(chǎn)生更多的微孔結(jié)構(gòu);另一方面，GO能夠限制PP分子鏈的運(yùn)動，從而在一定程度上抑制新生微孔的生長與擴(kuò)展。GO與OP-10的共同作用使PP/GO/OP-10多孔薄膜具有平均孔徑尺寸小、孔隙率高的結(jié)構(gòu)特征，這種優(yōu)化結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生使復(fù)

11、合材料多孔薄膜在分離或過濾領(lǐng)域具有極高的應(yīng)用價值。
　　(5)采用烯丙胺為反應(yīng)單體，通過等離子體改性技術(shù)對PP/GO/OP-10薄膜材料進(jìn)行了表面改性，并對改性后薄膜材料表面的物理和化學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征，并對薄膜材料的吸附性能進(jìn)行了深入研究。結(jié)果表明，等離子體表面改性處理使薄膜材料表面產(chǎn)生了大量的含氧及含氮官能團(tuán)，但在一定程度上減小了薄膜材料的表面粗糙度。通過等離子表面改性，薄膜表面的靜態(tài)水接觸角降低至11.9°，說明薄膜具有超親水

12、性。通過改變等離子體處理的時間可以有效調(diào)控薄膜材料的微孔結(jié)構(gòu)及其吸附性能，隨著等離子體處理時間的延長，薄膜材料的微孔數(shù)量、微孔孔徑尺寸以及孔隙率均呈現(xiàn)下降的趨勢。與此同時，薄膜材料對剛果紅染料分子的吸附能力不斷增強(qiáng)，吸附量不斷增加，其主要是得益于有機(jī)染料分子與薄膜表面之間不斷增強(qiáng)的相互作用。
　　本論文提供了一種高效且環(huán)保的吸附性薄膜制備技術(shù)，采用該技術(shù)能夠有效控制薄膜的微觀結(jié)構(gòu)并改善其表面的親水性及其吸附性能，從而為水處理薄膜的