功能化碳納米管-聚氨酯雜化膜的研制及滲透汽化性能研究.pdf

1、滲透汽化技術作為一項非常具有發(fā)展前景的膜分離技術，已經(jīng)被人們廣泛地研究和應用。聚氨酯滲透汽化膜材料以其優(yōu)異的結構和性能廣泛地應用于有機物的分離，碳納米管作為分離膜材料具有極高的滲透性和選擇性。本文采用化學修飾和摻雜的方法，制備了氧化、胺功能化、異氰酸酯功能化和納米Ag摻雜的功能化的多壁碳納米管，再通過原位聚合構建功能化碳納米管/聚氨酯雜化膜。研究了雜化膜的苯、環(huán)己烷的溶脹性能及滲透汽化性能，探討了雜化膜的結構與滲透汽化性能之間的關系。論

2、文主要包括以下三個方面內(nèi)容:
　　1.功能化碳納米管的研制
　　首先采用混酸（H2SO4/HNO3）和H2O2處理原始多壁碳納米管得到不同氧化程度的多壁碳納米管。進而選用己二胺、甲苯二異氰酸酯通過化學接枝法分別獲得胺功能化多壁碳納米管(MWCNT-NH2)和異氰酸功能化多壁碳納米管(MWCNT-NCO);以聚乙二醇(PEG)為還原劑，通過水熱合成法制得納米銀摻雜的多壁碳納米管(MWCNT-Ag)。
　　利用紫外-可見分

3、光光度計(UV)、紅外光譜(FT-IR)、拉曼光譜(Raman)、透射電子顯微鏡(TEM)、掃描電子顯微鏡(SEM)、X射線光電子能譜(XPS)對氧化碳納米管的結構和形貌進行了分析表征。研究發(fā)現(xiàn):①原始多壁碳納米管經(jīng)氧化處理后帶有一定的含氧基團，并隨氧化程度的提高，多壁碳納米管的拉曼光譜D峰和G峰的強度之比(ID/IG)有所增大;氧化程度對多壁碳納米管在溶劑中的分散性有較大影響，氧化程度越高，分散性越好。②己二胺接枝的多壁碳納米管的紅外

4、光譜中顯現(xiàn)出-NH2的振動特征峰;甲苯二異氰酸酯接枝的多壁碳納米管的紅外光譜中顯現(xiàn)出-NCO的振動特征峰;MWCNT-NH2和MWCNT-NCO在溶劑中的分散性較氧化碳納米管有進一步提高。③采用PEG作為還原劑水熱合成的納米Ag/碳納米管復合物，PEG的分子量對復合物中納米Ag的摻雜量影響不大，但采用PEG-400作為還原劑時，所得復合物中Ag納米粒子的粒徑較小，粒徑分布較窄。
　　2.功能化碳納米管/聚氨酯雜化膜的制備
　

5、　采用原位聚合法，通過功能化多壁碳納米管與甲苯二異氰酸酯(TDI)和聚乙二醇(PPG)的預聚和擴鏈反應構建碳納米管/聚氨酯(MWCNT/PU)雜化膜。利用透射電子顯微鏡分析表征雜化膜的結構和形貌，利用接觸角測定儀(DSA)、Zeta電位儀(Zeta)分析雜化膜表面的荷電特性。結果表明氧化程度對多壁碳納米管在雜化膜中的分散性有一定的影響，多壁碳納米管的氧化程度越高，其對應雜化膜的Zeta電位值越高，多壁碳納米管在雜化膜中的分散性越好。相比

6、之下，MWCNT-NH2、 MWCNT-NCO和MWCNT-Ag在雜化膜中的分散性明顯優(yōu)于氧化碳納米管。雜化膜的Zeta電位值均呈現(xiàn)隨著功能化碳納米管的填充量的增加先升高后降低的趨勢，填充MWCNT-NCO的雜化膜Zeta電位值較高，靜態(tài)接觸角值較小，雜化膜的極性較強。
　　3.功能化碳納米管/聚氨酯雜化膜的苯、環(huán)己烷溶脹性能及滲透汽化性能
　　實驗測定了功能化碳納米管/聚氨酯雜化膜的苯、環(huán)己烷溶脹性能和滲透汽化性能，探討了

7、多壁碳納米管的氧化程度、功能化類型以及填充量等對雜化膜的溶脹和滲透汽化性能的影響。結果表明:①碳納米管的氧化程度越高，對應的雜化膜在苯和環(huán)己烷中的平衡吸附溶脹度（A∞）和溶脹選擇性（α）越好，對苯/環(huán)己烷的滲透通量和分離因子也越高;H-MWCNT的填充量為3％時，雜化膜的苯，環(huán)己烷平衡溶脹吸附選擇性α(b/c)達3.15，苯/環(huán)己烷的滲透汽化分離因子可達7.92。②與填充了氧化碳納米管的雜化膜相比，填充了MWCNT-NH2、 MWCNT

8、-NCO以及MWCNT-Ag的雜化膜在苯和環(huán)己烷中的平衡吸附溶脹度、溶脹選擇性、苯/環(huán)己烷滲透通量和分離因子明顯提升，其中，當MWCNT-NCO填充量達5％時，MWCNT-NCO/PU雜化膜有較優(yōu)的溶脹選擇性和滲透選擇性，分別可達3.36和16.67，其苯和環(huán)己烷的滲透通量也分別可達878g/m2·h和118g/m2·h。③隨著功能化碳納米管填充量的增加，雜化膜在苯、環(huán)己烷中的平衡吸附溶脹度先增大后減小，雜化膜的苯/環(huán)己烷滲透通量和分離