FeO/PVDF磁性复合膜的制备、表征及性能研究

摘要

磁性聚合物膜既具有磁记录、磁分离、吸波、缩波等磁特性，又具备质轻柔韧、易加工的高分子特性，从而可以在功能性记忆材料、膜分离材料、隐身材料、微波通讯材料等多种军用、民用领域获得应用。一方面，传统的无机磁粉-聚合物膜难以具备高性能；另一方面，由于合成的困难性，直接利用结构型高分子制备磁性聚合物膜现阶段还难以实现。目前，制备有机-无机磁性纳米复合膜是获得具有良好力学性能和独特物理化学性质的磁性聚合物膜的有效途径，但现有的制备方法在促使纳米粒子的有序排列和简化制备条件等方面有所不足。 针对这种情况，本文在认识无机磁性颗粒的性质、聚合物基膜性质的基础上，结合模板合成和原位法的思想，采用了一种膜相渗透原位化学转化法，使磁性氧化铁(Fe3O4)纳米级颗粒原位生成于聚偏氟乙烯(PVDF)基体膜的微孔中，得到一种外观均匀、具有良好力学性能且微孔结构形态优于基体膜的Fe3O4/PVDF复合膜。对于复合膜的制备，具体考察了影响Fe3O4在膜中原位化学转化生成的四个主要因素：氯化亚铁盐浓度、碱浓度、反应温度和反应时间。通过研究这些因素对复合膜外观、磁化率和膜中Fe元素含量的影响，获得了制备复合膜的适宜条件。X-射线衍射和红外光谱分析结果证实膜中原位生成的磁性粒子为纳米量级的Fe3O4。红外光谱和差示扫描量热分析结果则表明，Fe3O4与PVDF基膜间无化学键，是以纯金属氧化物晶粒存在于膜孔中和膜表面，但其与F原子间有一定的作用力。为进一步分析Fe3O4的原位生成对复合膜结构的影响，测定了PVDF基膜和复合膜的膜厚；采用干湿膜重法测试了膜样品的孔隙率；采用泡点压力法－流体渗透法相结合，对比测试了膜样品的最大孔径、孔径分布及平均孔径；通过扫描电子显微镜(SEM)照片分析，对比研究了PVDF基体膜和Fe3O4/PVDF复合膜的表面形貌。结果表明，采用膜相渗透原位化学转化法合成制备的Fe3O4/PVDF复合膜，其膜厚、孔隙率与原来的PVDF基体膜相比变化不大，平均孔径、最大孔径则有明显减小，孔径分布范围变窄，孔径更趋于均匀，膜孔形态更为规整。通过控制反应时间可以控制Fe3O4在膜孔中的转化程度，从而可以有效地控制膜的孔径和孔径分布。在性能研究方面，测试了复合膜对N2、O2、CO2的气体渗透速率的影响以及复合膜的热红外辐射和电磁波吸收性能。结果表明Fe3O4/PVDF复合膜对于O2渗透速率的影响较N2、CO2大，但对于三者分离效果不明显；纳米Fe3O4的引入使得复合膜相对于PVDF基膜，热红外辐射率有所降低，并具有一定的电磁波吸收能力。

目录

文摘

英文文摘

1引言

1.1磁性聚合物膜材料的研究意义

1.2磁性聚合物膜材料的研究现状

1.2.1磁性高分子膜

1.2.2无机磁粉-聚合物复合膜

1.2.3有机-无机磁性纳米复合膜

1.3磁性聚合物膜的应用前景

1.4研究目的和思路创新

1.5研究的主要内容

2实验部分

2.1实验试剂及仪器

2.1.2主要试剂和材料

2.1.2主要仪器

2.2磁性复合膜的制备

2.2.1磁性粒子的选择

2.2.2基体聚合物膜的选择

2.2.3复合膜制备方法和反应装置

2.2.4复合膜制备条件的研究

2.3复合膜的磁性能表征和复合机制研究

2.3.1复合膜磁化率的测定

2.3.2复合膜中Fe元素含量的测定

2.3.3复合膜的X-射线衍射物相分析和磁性粒子晶粒粒径的测定

2.3.4复合膜的红外光谱分析

2.3.5复合膜的热分析

2.4复合膜的膜结构参数的测定

2.4.1膜厚的测定

2.4.2膜孔隙率的测定

2.4.3膜孔参数的测定

2.4.4复合膜表面形貌的观察

2.5复合膜的性能测试

2.5.1复合膜气体渗透性能的测试

2.5.2复合膜热红外辐射性能测试

2.5.3复合膜电磁波吸收性能测试

3实验结果及讨论

3.1 Fe3O4/PVDF磁性复合膜的制备条件

3.1.1正交试验设计及结果分析

3.1.2制备条件对复合膜中铁氧化物含量和磁化率的影响

3.1.3 Fe3O4/PVDF磁性复合膜制备工艺的确立

3.2 Fe3O4/PVDF磁性复合膜的表征和复合机制探讨

3.2.1磁性复合膜的X-射线衍射图谱分析

3.2.2磁性复合膜的红外光谱分析

3.2.3磁性复合膜的DSC分析

3.3 Fe3O4的原位生成对复合膜结构参数的影响

3.3.1膜氮气通量随压差的变化

3.3.2膜孔径分布情况

3.3.3膜结构参数测试数据总结

3.3.4膜的外观及表面形貌观察

3.4膜的性能研究

3.4.1膜的气体渗透性能

3.4.2膜的热红外辐射和电磁波吸收性能

4结论与展望

4.1主要结论

4.2研究展望

致谢

参考文献

附录