磁响应柔性SiO2纳米纤维膜的制备及液相分离研究

摘要

磁性材料与信息技术、自动控制、国防建设密切相关，其性能的优化和技术的开发对抢占经济和科技至高点具有重要意义。磁性无机纳米纤维因兼具高性能、纳米效应、形状各向异性，在生物医学、吸波隐身、环境治理等特殊领域有着广阔的应用前景，已成为当前磁性材料的研究热点。近年来，研究人员在静电纺磁性无机纳米纤维方面取得了一定的进展，所制备的材料具有较好的磁性能，但纤维主要通过磁性颗粒粘连而成，强度低、易脆断，影响了其长期使用性能，难以满足实际应用需求。因此，制备兼具柔性和优异磁性能的无机纳米纤维材料是解决以上问题的关键。
　　本论文以此为出发点，在融合溶胶-凝胶技术和静电纺丝方法制备柔性SiO2纳米纤维膜（SNM）的基础上，引入玉米蛋白作为载体，结合浸渍-涂覆、微波交联技术，使氯化铁和氯化镍均匀分布在纤维表面，并通过惰性氛围下的高温煅烧使得铁酸镍（NiFe2O4）颗粒成核-生长，从而得到纤维表面均匀镶嵌磁性NiFe2O4颗粒的柔性SiO2纳米纤维膜材料（NiFe2O4@SNM）。
　　通过选用0.5％、1%、2%、4%、8%五个金属盐浓度，研究NiFe2O4颗粒浓度对复合纤维膜形貌、多级结构、力学性能的影响。结果表明，当金属盐浓度不超过4%时，NiFe2O4纳米颗粒在纤维表面均匀分布，并且随着金属盐浓度的提高，NiFe2O4数量逐渐增加，相应纤维膜的比表面积和孔隙率也随NiFe2O4颗粒的增加而提高，但纤维膜的力学性能却因NiFe2O4颗粒的增加而逐步下降；当金属盐浓度达到8%时，纤维搭接处出现了严重的NiFe2O4颗粒团聚现象，纤维膜的比表面积和孔隙率依然小幅增大，而纤维膜的拉伸断裂强度和柔性急剧下降。由此得出以下结论：金属盐浓度为4%时所得复合纤维膜具有最佳综合性能，此时纤维膜具有磁性颗粒分布均匀、拉伸断裂强度高（4.53MPa）、柔性好（弯曲刚度39mN）、比表面积大（40.05m2 g-1）、孔隙率高（孔体积0.051cm3 g-1）等特点。
　　此外，复合纤维膜的磁响应及润湿性能研究表明：NiFe2O4@SNM为典型的软磁材料，其饱和磁化强度高达14.44emu g-1，且具有超亲水（静态水接触角为0°）和水下疏油（水下静态油接触角为147°）特性。应用性能研究表明，NiFe2O4@SNM是一种优异的液相分离材料，可在20min内实现对亚甲基蓝染料的完全吸附，并可通过磁铁快速、简便地分离纤维膜；仅在重力驱动下即可实现对1~10μm粒径的水包油型乳液的快速、高效分离，分离通量高达3177±214Lm-2 h-1，且多次循环后乳液分离性能保持稳定，耐久性好，可长期循环使用。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 磁响应材料概况

1.3 纳米磁响应材料

1.4磁响应纳米纤维

1.5 静电纺磁性纳米纤维

1.6 课题研究的目的和内容

第二章 磁响应柔性SiO2纳米纤维膜的制备及表征

2.1 引言

2.2 柔性SiO2纳米纤维膜的制备

2.3 磁响应柔性SiO2纳米纤维膜的制备

2.4 测试与表征方法

2.5 本章小结

第三章 磁响应柔性SiO2纳米纤维膜结构性能研究

3.1 引言

3.2 纤维膜成型过程分析

3.3纤维膜多级结构成分分析

3.4纤维膜最优比例探讨

3.5 纤维膜孔结构分析

3.6 本章小结

第四章 磁响应柔性SiO2纳米纤维膜液相分离性能研究

4.1 引言

4.2 纤维膜的磁响应性能

4.3 纤维膜的润湿性能

4.4 纤维膜在染料吸附中的应用

4.5 纤维膜在油水乳液分离中的应用

4.6 本章小结

第五章 结论与展望

5.1 主要结论

5.2 课题展望

参考文献

攻读硕士学位期间取得的学术成果

致谢