功能性静电纺纤维复合膜的制备及其油水分离性能研究

发布时间：2018-06-05 16:27

本文选题：静电纺丝 + 纤维　；参考：《南京林业大学》2017年硕士论文

【摘要】：油水分离已经成为全球面临的一个问题。膜分离技术是一种最有效的分离油水混合物的方法。静电纺丝纤维膜具有独特的适用于油水分离的特性,比如高的比表面积、大的孔隙率、内部高度交联的孔隙结构和表面功能化灵活的特点,使其在油水分离过程中具有高的渗透性,这不仅提高了分离效率,也减少了分离过程中的能源消耗。然而,大多数的制备的电纺膜在实际使用中仍旧存在很多问题,如力学性能差,分离性能差、不能自支撑、制备过程复杂且成本高,表面润湿性能的转变范围有限,容易被油污染和不能满足远程操作油/水分离单元的要求等这些缺陷严重制约了其在工业上的使用。为了改善大多数油水分离膜所存在的问题,有效地实现油水分离膜的实际应用。本论文设计、制备了一系列高性能的纤维复合油水分离膜,并详细评价了其性能。首先,采用同轴静电纺丝技术并亚胺化获得了生物基的醋酸纤维素-聚酰亚胺(CA-PI)纤维膜。并用疏水性二氧化硅纳米颗粒(SNPs)和氟化苯并VA嗪(BAF-tfa)改性修饰CA-PI纤维膜,制备了高强度的FPBZ/SNPs/CA-PI纤维复合膜;其次,使用‘灵活的’PAA作为芯,通过高压同轴静电纺丝技术并亚胺化得到了‘灵活的’生物基的PI/CA纤维。并用‘重’氟化的聚苯并VA嗪(BAF-btfa)和疏水性SNPs改性修饰PI/CA纤维膜,制备了高弹性的PI/CA/F-PBZ/SNPs纤维复合膜。然后,通过癸酸-二氧化钛(DA-TiO_2)溶胶和SNPs改性修饰PI纤维膜设计出了一种新型的pH值和氨气双重响应SNPs/DA-TiO_2/PI纤维复合膜;最后,通过同轴静电纺丝技术制备了一种光热响应性的聚氨酯/聚(甲基丙烯酸甲酯-b-N-异丙基丙烯酰胺)(PU/PMMA-b-PNIPAAm)纤维复合膜。论文具体开展的工作如下:1.采用高压同轴静电纺丝技术获得了芯-壳结构的生物基的CA-PAA纤维,随后亚胺化得到高强度的CA-PI纤维。并用疏水性SNPs和氟化苯并VA嗪(BAF-tfa)改性修饰CA-PI膜,制备了高强度的F-PBZ/SNPs/CA-PI纤维复合膜,研究了其油水分离性能。通过同轴静电纺丝以及亚胺化技术制备了高强度的CA-PI纤维膜,研究了PI的加入对CA力学性能的影响。然后通过SNPs和BAF-tfa原位聚合改性修饰,得到F-PBZ/SNPs/CA-PI纤维复合膜。结果表明,优化得到的F-PBZ-1/SNP-4/CA-PI膜具有分层的微纳米结构,拉伸应力高于200 MPa,与水和油的接触角分别达到163°和0°;此外,此膜在酸碱和高温条件下都能够保持稳定性,具有高的流量(1136±50 L·m-2·h-1)和分离效率(99%),并可以多次重复使用,在实际油水分离的应用中是极具潜力的。2.使用‘灵活的’PAA作为芯,通过高压同轴静电纺丝技术并亚胺化得到了‘灵活的’芯/壳结构的生物基的PI/CA纤维。并用‘重’氟化的聚苯并VA嗪(BAF-btfa)和疏水性SNPs改性修饰PI/CA纤维膜,制备了高弹性的PI/CA/F-PBZ/SNPs纤维复合膜。成功的制备了‘灵活的’芯-壳结构的生物基的PI/CA纤维膜和BAF-btfa,随后通过表面原位聚合将BAF-btfa和疏水性SNPs引入到PI/CA纤维膜的表面,制备了高弹性的PI/CA/F-PBZ/SNPs纤维复合膜。结果表明,使用联苯四甲酸二酐(BPDA)和4,4-二氨基二苯醚(ODA)得到的PI作为芯,得到CA-PI膜的拉伸应力和应变分别达到130MPa和52%。经过BAF-btfa/SNPs改性后的PI/CA膜与水和油的接触角达到163°和0°;该纤维复合膜在实际油水分离的应用中具有较好的应用前景。3.设计出了一种新型的pH值和氨气双重响应SNPs/DA-TiO_2/PI纤维复合膜,并详细评价了改纤维膜材料的pH和氨气响应性的效果。从PI纤维膜具有优良的机械强度、稳定性等角度出发,采用溶液浸涂的方法将癸酸(DA)、二氧化钛(TiO_2)和SNPs预凝胶混合溶液引入到PI纤维膜表面,获得SNPs/DA-TiO_2/PI纤维复合膜。在pH 6.5时,具有超疏水和水下超亲油性。然而,在pH 12时,具有超亲水和水下超疏油性,证明其pH响应的润湿性。同时,具有高的流量(6500±100 L·m-2·h-1)和分离效率(99%),高的耐热和抗磨损性能。此外,当暴露在氨气的氛围时,能够改变表面润湿性,表明可以通过远程控制膜表面的润湿性分离油水混合物。4.制备了一种光热响应性的芯-壳结构的聚氨酯(PU)/聚(甲基丙烯酸甲酯-N异丙基丙烯酰胺)(PU/PMMA-b-PNIPAAm)纤维膜。考察了该膜的光热响应性的性能。基于高拉伸应变的PU,温度响应性的共聚物PMMA-b-PNIPAAm,Ag纳米颗粒(AgNPs)和单壁碳纳米管(SWCNT)。使用PU作为芯,PMMA-b-PNIPAAm作为壳,其中AgNPs和SWCNT分散于PMMA-b-PNIPAAm电纺溶液中,通过高压同轴静电纺丝,获得了高灵活、自支撑,易弯曲,芯-壳结构PU/PMMA-b-PNIPAAm纤维复合膜。膜具有光热可调节的油/水润湿性,能够分离水包油型的油水纳米乳液,通过调节照射功率和时间,分离效率达到高于99%;这种光热响应性的膜为制备远程操作接入点水处理设备提供巨大的潜力。综上所述,本研究制备了一系列高性能的纤维复合膜,并且这些纤维复合膜显示出良好的油水分离性能。事实上,这些研究方法具有一定的通用性,通过改变静电纺丝聚合物的种类、改性物质的种类等,可以设计出多种功能性的纤维复合膜,在污水处理和油水分离等领域具有较好的应用前景。
[Abstract]:In order to improve the separation efficiency and reduce the energy consumption in the process of oil - water separation , a series of high - performance fiber composite oil - water separation membranes were prepared by high - pressure coaxial electrostatic spinning . A high elasticity PI / CA / F - PBZ / SNPs fiber composite membrane was prepared .
【学位授予单位】：南京林业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TQ051.893

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