氧化石墨填充聚丙烯复合材料多孔薄膜的结构控制及吸附性能研究

发布时间：2018-03-15 05:04

  本文选题：聚丙烯薄膜　切入点：成孔行为　出处：《西南交通大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：随着科学技术的迅速发展,新型产品层出不穷,它们的出现一方面提高了人们的生活水平,但另一方面也不可避免地带来了一系列环境问题,日益恶化的环境已经对人们的日常生活造成了极大的影响,严重威胁着人们的身体健康。近些年来,水污染和空气污染问题受到了广泛关注,研究者已经通过多种方式对相关的环境问题进行治理,其中,薄膜分离及吸附技术以其高效、低成本、易于操作等优点受到了研究者的广泛青睐。但是,多孔薄膜结构难于控制,采用传统方法得到的多孔薄膜材料结构单一,功能性较弱,因此,需要通过引入功能性填料或改进控制方法使薄膜材料具有更高的实用价值。聚丙烯(Polypropylene,PP)作为世界五大通用塑料之一,以其低廉的成本以及优异的综合性能而被用作功能性薄膜的基体材料,PP基多孔薄膜材料具有力学性能优异、尺寸稳定性好、化学稳定性优异等诸多特性,从而被广泛地应用于污水处理、空气净化等领域。PP多孔薄膜材料可以通过多种方法制备得到,常用的方法主要有拉伸法、热致相分离法、浸没沉淀法等。通过改变制备过程中的加工条件可以有效调控多孔薄膜材料的微孔参数,如孔隙率、平均孔径尺寸、孔连通性等。进一步对PP多孔薄膜进行表面改性处理可以有效改善薄膜表面的亲水性,赋予其一定的吸附性能,使得PP多孔薄膜材料更具应用潜力。本论文采用等规PP作为基体材料,通过熔融共混将石墨烯(Graphene,GE)或氧化石墨(Graphite oxide,GO)引入到PP基体中,并通过引入p成核剂(β-nucleating agent,β-NA)或成孔剂(Polyethyleneoctylphenyl-10,PP-10)等助剂制备得到复合材料,进一步对复合材料进行熔融模压、单轴拉伸制备得到多孔薄膜材料,通过研究退火处理或改变拉伸速率、拉伸温度、拉伸应变等条件对成孔行为的影响,详细阐述了不同组分的复合材料薄膜在不同加工条件下的成孔机理。以烯丙胺为反应单体,采用等离子体改性技术对复合材料多孔薄膜进行表面改性,通过研究薄膜表面的理化性质及相关吸附性能,阐明了等离子体改性技术改善PP薄膜表面亲水性及吸附性能的作用机制。全文得到的主要结论如下：(1)通过熔融共混制备得到PP/GE/-—NA复合材料,并对其结品及熔融行为进行了相关研究。结果表明,GE在PP基体中呈片层状分布,分散状况良好；GE对PP的a晶型具有一定的异相成核作用,但其成核效率低于β-NA；将两者同时引入到PP基体中对提升其结晶能力具有一定的协同作用。两者的协同作用效果在很大程度上依赖于结晶条件：在等温结晶过程中,随着结晶温度的提高,两者的协同作用变得更加明显；而在非等温结晶过程中,随着降温速率的提升,两者的协同作用会愈加显著。对于不同的样品而言,其熔融行为差异较大,不同的熔融峰对应于不同填料诱导产生的晶体的熔融。由此可见,通过改变PP基复合材料的成分以及结晶条件,可以对其晶体结构进行有效控制。(2)以p-PP为基体,通过引入一定含量的GO制备得到复合材料薄膜,再通过单轴拉伸的方式制备得到复合材料多孔薄膜,对复合材料薄膜的初始形貌进行了研究,同时分析了不同加工条件以及预处理方式对多孔薄膜材料成孔行为的影响。研究发现,随着拉伸温度的提高以及拉伸速率的减小,PP/β-NA/GO多孔薄膜的平均孔径尺寸呈现增加的趋势,同时,随着拉伸温度的降低以及拉伸速率的减小,PP/β-NA/GO多孔薄膜的孔隙率呈现增加的趋势。GO的引入能够使多孔薄膜的平均孔径尺寸减小,同时使其孔隙率增加。PP/β-NA/GO多孔薄膜材料的孔隙率和平均孔径尺寸均随着拉伸应变的增加而增加,但当拉伸应变过大时,多孔薄膜材料的孔隙率会有所下降。进一步研究发现,退火处理能够有效增加PP/β-NA/GO多孔薄膜材料的孔隙率和微孔结构规整性,同时减小薄膜材料的平均孔径尺寸。(3)通过熔融共混的方法将OP-10成功地引入到PP基体中,通过单轴拉伸的方式制备得到了多孔薄膜材料,并研究了OP-10的引入对PP基多孔薄膜材料拉伸过程中成孔行为的影响。结果表明,OP-10的引入能够诱导PP基体产生大量的初始微孔结构,同时,OP-10的存在阻碍了PP基体的成核,最终导致所得的PP晶体具有较小的晶片厚度。相比于PP多孔薄膜材料,OP-10的引入能够显著增加PP/OP-10多孔薄膜材料的有效孔隙率,在OP-10含量较高以及拉伸应变较大的情况下,有效孔隙率的增加更加明显；另外,初始微孔的存在能够在一定程度上改变薄膜材料内部的应力场分布,引发更多微孔结构的形成,改善多孔薄膜材料的孔连通性,增加其有效孔隙率。(4)采用熔融共混将OP-10和GO同时引入到PP基体中,并进一步通过熔融模压、单轴拉伸的方式制备得到复合材料薄膜,并对薄膜材料在拉伸过程中的成孔行为进行了研究,研究为高孔隙率多孔薄膜的制备提供了一种简单有效的方法。研究表明,一方面,分散性良好的GO可以改变PP基体内部的应力分布,诱导GO片层周围的PP基体产生更多的微孔结构；另一方面,GO能够限制PP分子链的运动,从而在一定程度上抑制新生微孔的生长与扩展。GO与OP-10的共同作用使PP/GO/OP-10多孔薄膜具有平均孔径尺寸小、孔隙率高的结构特征,这种优化结构的产生使复合材料多孔薄膜在分离或过滤领域具有极高的应用价值。(5)采用烯丙胺为反应单体,通过等离子体改性技术对PP/GO/OP-10薄膜材料进行了表面改性,并对改性后薄膜材料表面的物理和化学结构进行了表征,并对薄膜材料的吸附性能进行了深入研究。结果表明,等离子体表面改性处理使薄膜材料表面产生了大量的含氧及含氮官能团,但在一定程度上减小了薄膜材料的表面粗糙度。通过等离子表面改性,薄膜表面的静态水接触角降低至11.9°,说明薄膜具有超亲水性。通过改变等离子体处理的时间可以有效调控薄膜材料的微孔结构及其吸附性能,随着等离子体处理时间的延长,薄膜材料的微孔数量、微孔孔径尺寸以及孔隙率均呈现下降的趋势。与此同时,薄膜材料对刚果红染料分子的吸附能力不断增强,吸附量不断增加,其主要是得益于有机染料分子与薄膜表面之间不断增强的相互作用。本论文提供了一种高效且环保的吸附性薄膜制备技术,采用该技术能够有效控制薄膜的微观结构并改善其表面的亲水性及其吸附性能,从而为水处理薄膜的制备和应用提供了新的思路和方法。
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【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB383.2
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本文编号：1614523