聚偏氟乙烯复合材料多孔薄膜的制备与表征

发布时间：2017-10-11 14:30

  本文关键词：聚偏氟乙烯复合材料多孔薄膜的制备与表征

  更多相关文章： 聚偏氟乙烯 多孔膜 氧化石墨烯 吸附性能 油水分离

【摘要】：膜分离技术具有分离效率高、操作简单、成本低廉等优点,在环境、电子、化学、能源及生物医药领域具有广阔的应用前景,近年来受到越来越多的关注。降低成本、扩展薄膜应用是促使膜技术进步的主要因素,目前研究者致力于提高薄膜的耐污染性、油水分离性能及抗化学腐蚀性。市场上常见的高分子膜材料主要有聚丙烯(Polypropylene, PP)、聚醚砜(Polyether sulfone)、聚四氟乙烯(Polytetra fluorothylene, PTFE)和聚偏氟乙烯(Polyvinylidene fluoride, PVDF)等。PVDF具有良好的机械性能、耐化学腐蚀性、介电性,且易溶于极性有机溶剂,常用于制备高性能薄膜。但是PVDF薄膜在使用过程中主要存在两个问题,一是亲水性较差,在使用过程中易受到污染而降低薄膜的使用寿命,不利于实际生产应用；二是虽有一定的疏水性,但通过一般方法制备的PVDF薄膜不具有超疏水性,不可作为油水分离薄膜使用。因此,增加PVDF薄膜的亲水性以延长PVDF薄膜的使用寿命,或通过特殊方法制备超疏水性的PVDF薄膜具有重要的研究意义。本论文以探索具有较好亲水性的PVDF多孔膜和具有超疏水性的PVDF油水分离膜的制备工艺为目的。首先通过非溶剂诱导相分离法研究了不同添加剂对PVDF薄膜形貌和晶型的影响,例如氧化石墨烯(Graphene oxide,GO),碳纳米管(Carbon nanotubes, CNTs)。其次,探索聚乙烯吡咯烷酮(Polyvinyl pyrrolidone,PVP)和GO对PVDF多孔膜结构的影响,进而研究其对PVDF多孔膜亲水性能和吸附性能的影响。最后,通过静电纺丝法制备了具有超疏水性的PVDF/CNTs纳米复合材料纤维膜,并测试了PVDF/CNTs纳米复合材料纤维膜的油水分离性能。主要研究成果如下：(1)通过溶液共混的方法分别将GO或CNTs引入到PVDF溶液中,利用浸没沉淀法制备了PVDF/GO及PVDF/CNTs复合材料多孔膜。由于GO的表面含有大量的极性基团(羧基、羟基、羰基),这些极性基团的存在能够增强铸膜液与水的相互作用,从而使得溶剂和非溶剂之间的交换速率增加。因此PVDF/GO复合材料薄膜表面孔径的平均尺寸随GO含量的增加而减小,表面孔数量随GO含量的增加而增多,截面蜂窝状孔的尺寸随GO含量的增加而增大。CNTs是PVDF优异的成核剂,在成膜过程中CNTs会诱导PVDF的结晶相分离,从而导致薄膜表面出现较多的瘤状结构,表面孔的数量减少。由于CNTs表面不含有极性含氧官能团,不会加速溶剂和非溶剂的交换速率,因此PVDF/CNTs薄膜截面孔形状及平均孔径尺寸未发生变化。(2)通过接触角测试发现PVDF/PVP/GO复合材料多孔膜的水接触角随着GO含量的增加而减小。其中纯PVDF薄膜具有最大的水接触角(80.9°),PVDF/PVP/GO2样品具有最小的水接触角(49.7°)。通过形貌表征可知PVP的加入可以诱导表面大孔及截面指状孔数量的增加。GO的加入可减小微滤膜表面孔径尺寸,增加截面大孔的尺寸。因此PVDF/PVP/GO复合材料薄膜的孔隙率随着PVP和GO的加入而增大,其中PVDF/PVP/GO2样品具有最大的孔隙率(93.3%)。通过吸附性能测试,发现PVDF/PVP/GO复合材料多孔薄膜吸附亚甲基蓝的能力随着GO含量的增加而增强,PVDF/PVP/GO2多孔膜吸附亚甲基蓝的能力最强。(3)研究了纺丝液浓度、溶剂类型、湿度对PVDF纳米纤维膜结构的影响。当PVDF纺丝液浓度从15%(质量体积比)逐渐增加到25%时,串珠结构逐渐消失,纤维的直径均匀。在加湿条件下,溶剂会跟空气中的水发生交换,聚合物的表面形成聚合物的稀相和浓相,稀相逐渐长大,形成微纳米孔,因此在加湿条件下制备的纤维表面有很多纳米级微孔。接触角测试表明PVDF/CNTs纳米复合材料纤维膜的水接触角随CNTs含量的增加而增大,所有纤维膜都具有良好的油水分离性能。其中PVDF/CNTs1样品具有最好的油水分离性能。
【关键词】：聚偏氟乙烯 多孔膜 氧化石墨烯 吸附性能 油水分离
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ051.893
【目录】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-14
• 第一章 前言14-28
• 1.1 引言14
• 1.2 聚偏氟乙烯概述14-19
• 1.2.1 PVDF晶型简介15-17
• 1.2.2 聚偏氟乙烯膜的研究进展17-19
• 1.3 PVDF薄膜制备方法19-23
• 1.3.1 相转化法19-22
• 1.3.2 静电纺丝法22-23
• 1.4 PVDF薄膜的亲水改性23-26
• 1.4.1 引入第二组分改善PVDF薄膜亲水性23-25
• 1.4.2 PVDF薄膜表面改性25-26
• 1.5 本论文的目的、意义及主要研究内容26-28
• 1.5.1 本论文的目的及意义26-27
• 1.5.2 本论文的主要研究内容27-28
• 第二章 氧化石墨烯和碳纳米管对PVDF多孔薄膜微观结构的影响28-48
• 2.1 引言28-29
• 2.2 实验部分29-32
• 2.2.1 实验原料29
• 2.2.2 实验设备29-30
• 2.2.3 样品制备30-31
• 2.2.4 测试与表征31-32
• 2.3 结果与讨论32-47
• 2.3.1 GO对PVDF薄膜微观结构的影响32-35
• 2.3.2 GO含量对PVDF薄膜孔隙率的影响35-36
• 2.3.3 GO对PVDF薄膜结晶行为的影响36-38
• 2.3.4 GO对PVDF薄膜β晶型相对含量的影响38-41
• 2.3.5 CNTs对PVDF薄膜微观结构的影响41-43
• 2.3.6 CNTs对PVDF薄膜结晶行为的影响43-45
• 2.3.7 CNTs对PVDF薄膜β晶型相对含量的影响45-47
• 2.4 本章小结47-48
• 第三章 聚乙烯吡咯烷酮和氧化石墨烯调控PVDF薄膜结构性能的研究48-64
• 3.1 引言48-49
• 3.2 实验部分49-50
• 3.2.1 实验原料49
• 3.2.2 实验设备49
• 3.2.3 样品制备49-50
• 3.2.4 测试与表征50
• 3.3 结果与讨论50-62
• 3.3.1 PVP和GO对PVDF薄膜亲水性的影响50-51
• 3.3.2 PVP和GO对PVDF薄膜结构的影响51-56
• 3.3.3 GO含量对PVDF/PVP/GO复合材料薄膜亲水性的影响56
• 3.3.4 GO含量对PVDF/PVP/GO复合材料薄膜结构的影响56-60
• 3.3.5 多孔薄膜的吸附性能分析60-62
• 3.4 本章小结62-64
• 第四章 静电纺丝法制备超疏水PVDF纳米纤维膜64-79
• 4.1 引言64-65
• 4.2 实验部分65-68
• 4.2.1 实验原料65
• 4.2.2 实验设备65
• 4.2.3 样品制备65-67
• 4.2.4 测试与表征67-68
• 4.3 结果与讨论68-78
• 4.3.1 制备条件对PVDF纳米纤维膜的影响68-72
• 4.3.2 PVDF/CNTs纳米复合材料纤维膜的研究72-76
• 4.3.3 PVDF/GO纳米复合材料纤维膜的研究76-78
• 4.4 本章小结78-79
• 结论及展望79-81
• 致谢81-82
• 参考文献82-95
• 附录95-96
• 攻读硕士学位期间发表的论文96

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本文编号：1013043