甲壳素晶须对纳米纤维及质子交换膜的增强性能研究

发布时间：2017-06-15 08:03

  本文关键词：甲壳素晶须对纳米纤维及质子交换膜的增强性能研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：近年来,随着化石燃料的储备逐渐减少以及人们对环境问题越来越关注,生物基和生物降解的材料引起了人们很大的关注。甲壳素是地球上第二丰富的天然高分子多糖,可以从甲壳动物虾、蟹、昆虫的外壳、真菌或昆虫的细胞壁等获得。甲壳素纳米晶须(CNWs)是通过去除甲壳素中的无定型区域获得的单个的甲壳素微晶,具有良好的生物相容性、无毒、强的亲水性以及生物可降解性以及优异的力学性能,是一种理想的聚合物纳米填料。本论文通过TEMPO媒介氧化体系制备了类似棒状形貌的甲壳素纳米晶须,并对其结构与性能进行了研究：CNW呈棒状或针状,其直径约为33纳米,长度为150-550纳米,平均长径比约为10；相比甲壳素,晶须的结晶度提高至89.6%。为拓展CNWs的应用领域,本论文进行了两方面的探讨：(1)将CNWs分散到聚丙烯腈(PAN)溶液中,利用溶液喷射纺丝技术(solution blowing)制备了PAN/CNWs纳米纤维,研究结果表明：晶须以“竹节状”沿纤维方向分布,晶须的引入提高了纤维的结晶性能与热性能；CNWs的适量添加可提高纤维的力学性能,3%添加量时其力学性能提高了75%,但晶须进一步增加时,纤维拉伸断裂强度则呈现减小的趋势；为此,对CNWs进行表面氨基化改性,改善其与聚合物基体的相容性,有效提高了纤维的力学性能。(2)将晶须添加到磺化聚醚砜(SPES)溶液中,通过流延刮涂法制备了SPES/CNWs复合质子交换膜,复合膜表面平整、致密,晶须均匀的分布在SPES基体中,提升了复合膜的力学性能、热稳定性与尺寸稳定性；晶须的亲水性提高了复合膜的吸水率,同时提高了复合膜的质子传导率,表明SPES/CNWs复合膜是一种性能良好的质子交换膜。本论文利用CNWs建立了溶液喷射纳米纤维增强和质子交换膜质子传递过程强化的新方法,取得了良好的研究结果,为CNWs拓展了新的应用方向。
【关键词】：甲壳素纳米晶须 溶液喷射纺丝 纳米复合纤维 质子交换膜 机械强度
【学位授予单位】：天津工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ340.1;TB383.2
【目录】：

• 学位论文的主要创新点3-4
• 摘要4-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 前言10-28
• 1.1 甲壳素及甲壳素晶须研究现状10-16
• 1.1.1 甲壳素10-11
• 1.1.2 甲壳素晶须的制备方法11-14
• 1.1.3 甲壳素纳米晶须/聚合物复合材料14-16
• 1.2 纳米纤维及其制备技术研究进展16-21
• 1.2.1 纳米纤维的应用16-18
• 1.2.2 纳米纤维的制备技术研究进展18-21
• 1.3 质子交换膜研究概述21-26
• 1.3.1 燃料电池技术21
• 1.3.2 燃料电池的分类21-22
• 1.3.3 质子交换膜燃料电池(PEMFC)22-23
• 1.3.4 质子交换膜23-25
• 1.3.5 质子交换膜的改性25-26
• 1.4 本论文研究内容与意义26-28
• 第二章 甲壳素纳米晶须的制备与表征28-34
• 2.1 引言28
• 2.2 原料及主要仪器28-29
• 2.3 甲壳素纳米晶须的制备29-30
• 2.4 甲壳素晶须的表征30
• 2.4.1 甲壳素晶须扫描电镜形貌观察(SEM)30
• 2.4.2 甲壳素晶须透射电镜形貌观察(TEM)30
• 2.4.3 甲壳素晶须的FTIR测试30
• 2.4.4 甲壳素晶须的XRD测试30
• 2.5 结果与讨论30-33
• 2.5.1 形貌分析30-31
• 2.5.2 化学结构分析31-32
• 2.5.3 晶须结晶性能分析32-33
• 2.6 本章小结33-34
• 第三章 甲壳素晶须/PAN纳米复合纤维的制备与研究34-48
• 3.1 引言34-35
• 3.2 原料及主要仪器35-36
• 3.3 甲壳素纳米晶须/聚丙烯腈(CNW/PAN)纳米纤维的制备36-37
• 3.4 PAN/CNW纳米纤维的表征37-38
• 3.4.1 PAN/CNW纳米纤维的扫描电镜形貌观察(SEM)37-38
• 3.4.2 PAN/CNW纳米纤维的透射电镜形貌观察(TEM)38
• 3.4.3 PAN/CNW纳米纤维的FTIR测试38
• 3.4.4 PAN/CNW纳米纤维膜的XRD测试38
• 3.4.5 PAN/CNW纳米纤维的热稳定性测试(TG)38
• 3.4.6 PAN/CNW纳米纤维的拉伸性能测试38
• 3.5 结果与讨论38-47
• 3.5.1 PAN/CNW纳米纤维的形貌分析38-41
• 3.5.2 PAN/CNW纳米纤维的化学结构表征(FTIR)41
• 3.5.3 PAN/CNW纳米纤维的结晶性表征(XRD)41-42
• 3.5.4 PAN/CNW纳米纤维的热稳定性分析42-43
• 3.5.5 PAN/CNW纳米纤维的拉伸性能测试43-47
• 3.6 本章小结47-48
• 第四章 甲壳素晶须/磺化聚醚砜质子交换膜的制备与研究48-62
• 4.1 引言48
• 4.2 原料及主要仪器48-50
• 4.3 SPES/CNWs复合质子交换膜的制备50
• 4.3.1 磺化聚醚砜的合成50
• 4.3.2 SPES/CNWs复合膜的制备50
• 4.4 SPES/CNWs复合膜的性能表征50-52
• 4.4.1 SPES/CNWs复合膜的扫描电镜形貌观察(SEM)50
• 4.4.2 SPES/CNWs复合膜的XRD测试50-51
• 4.4.3 SPES/CNWs复合膜的FTIR测试51
• 4.4.4 SPES/CNWs复合膜的拉伸测试51
• 4.4.5 SPES/CNWs复合膜的热稳定性测试(TG)51
• 4.4.6 SPES/CNWs复合膜的吸水率与溶胀率测试51
• 4.4.7 SPES/CNWs复合膜的电导率测试51-52
• 4.5 结果与讨论52-60
• 4.5.1 SPES/CNWs复合膜的形态结构分析52-53
• 4.5.2 SPES/CNWs复合膜的XRD分析53-54
• 4.5.3 SPES/CNWs复合膜的化学结构(FTIR)分析54-55
• 4.5.4 SPES/CNWs复合膜的机械性能分析55-56
• 4.5.5 SPES/CNWs复合膜的热稳定性分析56-57
• 4.5.6 SPES/CNWs复合膜的吸水率与溶胀率分析57-59
• 4.5.7 SPES/CNWs复合膜的质子传导率分析59-60
• 4.6 本章小结60-62
• 第五章 结论与展望62-66
• 5.1 全文总结62-63
• 5.2 展望63-66
• 参考文献66-72
• 攻读硕士期间主要科研成果72-74
• 致谢74

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