静电纺丝制备Nafion纳米纤维的工艺及性能研究

发布时间：2019-11-08 01:06

【摘要】：Nafion纳米纤维在近年来的研究中,逐渐表现出它独特的优势,Nafion纤维相比于Nafion产品的其他形态,包括颗粒、溶液和膜,具有比表面积大、孔隙率高、电导率高等优点,可以用在电化学、催化、传感器等方面。静电纺丝制备Nafion纳米纤维具有简单、有效、可控等优点,国内外有一些研究者对静电纺丝制备Nafion纳米纤维进行研究,大部分采用的Nafion原料为商品化的Nafion溶液,Nafion颗粒运输和储存方便且成本相对较低,本课题采用Nafion颗粒作为原料,从溶解实验到静电纺丝进行了系统研究。在静电纺丝实验中,借助正交实验设计法,提取了实验参数中有重要影响的四个因素,分别是携带物含量即PEO在溶液中的质量、溶液流量、接收转辊的转速以及针头到转辊的距离,每个因素设三个不同水平,最终找到了实验中影响纤维直径的主次因素和最佳水平,因素影响作用依次为流量针头到转辊的距离转辊接收器转速携带物含量,每个因素的最佳水平分别是：携带物含量为0.04 g,针头到转辊之间的距离为23 cm,流量为0.1mL·h-1,转辊转速为180 r·min-1。采用最佳水平组合作为实验条件进行了验证实验,最后获得纤维直径为150nm,纤维中Nafion含量高达98%；将制得的Nafion纳米纤维膜进行了电导率测试,结果显示在常温条件下,Nafion纳米纤维膜的电导率是商业化Nafion115膜的6倍。为提高生产纳米纤维的效率,本课题首次提出采用离心静电纺丝制备Nafion纤维,由于离心静电纺丝起步较晚,对其机理和工艺参数还需大量研究,本课题在进行Nafion纳米纤维制备之前,首先采用PVP为原料,探索了离心静电纺丝中电压和转速的变化对纤维直径和形貌、纤维轨迹以及纤维产量的影响。最后成功制得Nafion纳米纤维,但由于Nafion/携带物溶液粘度较高,且离心静电纺丝流量过大,纺丝存在很多困难,希望以后的研究者可以在设备与工艺参数等方面做进一步地研究。
【图文】：

示意图,静电,实验装置,溶液

逡逑转裙接收器和电极板，本实验采用转霜接收器接收纳米纤维，图２－２中最右端的电极逡逑板只是用来形成静电纺丝高压电场正极，不用来接收纤维，电极板贴在一个绝缘薄板逡逑上，，绝缘薄板通过支架固定，并可Ｗ随意上下移动，采用电用夹子夹在电极板上，并逡逑通过导线连接在高压静电发生器上，并接通电源，形成静电纺丝高压电场正极。转银逡逑接收器位于注射累与电极板之间，转掩接收器由绝缘的支架、转谣和电机组成，转裙逡逑接收器采用绝缘的树脂转铅レッ及有机玻璃支架，转q!由无极变速直流电机驱动，转谣逡逑上包覆着一圈铅簿，用来接收纳米纤维。逡逑注射泉邋注射器邋电极板＾应幻逡逑ｍｍ逡逑升降台纤维转辕逡逑图２－２溶液静电巧竺实验装置示意图逡逑Ｆｉｇ．邋２－２邋Ｔｈｅ邋ｄｉａｇｒａｍｍａｔｉｃ邋ｄｒａｗｉｎｇ邋ｏｆ邋ｓｏｌ山ｉｏｎ邋ｅｌｅｃｔｒｏｓｐｉｎｎｉｎｇ邋ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ邋ａｐｐａｒａｔｕｓ逡逑２．２．３邋Ｎａｆｉｏｎ／ＰＥＯ邋巧巧Ｅ制逡逑在配制溶液前

颗粒,原料,溶液

逡逑ＰＦＳＡ是一种固体颗粒状树脂，如图２－３中１所示，这种ＰＦＳＡ原料具有很多优点，逡逑此原料是美国杜邦公司所产，颗粒树脂方便运输且易于保存，并且价格相对市面上逡逑ＰＦＳＡ溶液要低的多。逡逑ｍｍ逡逑图２－３邋Ｎａｆｉｏｎ颗粒与Ｎａｆｉｏｎ／ＰＥＯ溶oQ逡逑１－Ｎａｆｌｏｎ邋颗粒原料；２－Ｎａｆｉｏｎ／ＰＥＯ邋溶液逡逑Ｆｉｇ．邋２－３邋Ｎａｆｉｏｎ邋ｂｅａｄｓ邋ａｎｄ邋Ｎａｆｉｏｎ／ＰＥＯ邋ｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ邋ｓｏ山ｔｉｏｎ逡逑１－Ｎａｆｉｏｎ邋ｂｅａｄｓ；邋２－Ｎａｆｉｏｎ／ＰＥＯ邋ｓｏｌｕｔｉｏｎ逡逑２．邋３．１．１邋Ｅ制化ｆ邋ｉ邋ｏｎ巧巧的溶Rd选择及反应条件逡逑为配制均匀的ＰＦＳＡ溶液，进行了多次探索研究，分别采用了单一溶剂、混合溶逡逑剂、非极性溶剂、极性溶剂等进行了实验，并探索了不同的溶解工艺参数对溶液的影逡逑响，例如溶解温度，时间，压力等条件，并结合文献查阅，得出可制得均匀ＰＦＳＡ逡逑溶液的溶剂配方Ｗ及溶解条件，最终采用无毒溶剂配方玄醇和水混合溶剂，逡逑Ｅｔ０Ｈ／Ｈ２０＝４：ｌ，其中乙醇挥发性好，在纺丝过程中，溶剂可Ｗ很快从纤维表面挥发，逡逑而水可增强溶液极性更好的溶解强极性ＰＦＳＡ颗粒。逡逑ＰＦＳＡ化学物理性能稳定，常温常压下不可溶解，因此必须在高温高压条件下逡逑才可溶解在有效的溶剂中。将ＥｔＯ化化０：ＰＦＳＡ＝＾ｇ：８ｇ：２ｇ的反应物放在高压反应邋Ｉ逡逑勊中
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ340.64;TB383.1

【参考文献】