超疏水/超亲油静电纺纤维膜的制备及油水分离的研究

摘要

润湿性是固体表面的一个重要的性质，自然界存在的多种超疏水现象，引发了研究人员对具有润湿性能材料表面的构筑、制备和性质的关注和研究。润湿性常用液体在固体表面的接触角来表征，通常把固体与水（油）的接触角小于5°的表面称为超亲水（油）表面，与水（油）的接触角大于150°的表面称为超疏水（油）表面。而对于与水的接触角大于150°，与油的接触角小于5°的表面称之为超疏水/超亲油表面。超疏水表面以其优异的自清洁性能在服装、建筑、医疗、汽车和航运等领域有着广泛的应用，而具有超疏水/超亲油性能的表面，由于界面现象能有效地分离油中的水或水中的油，在工业油污水治理和油污清理领域具有较大的应用前景。一般制备超疏水表面的方法可以归为两类:一是在粗糙表面修饰低表面能的物质;二是在低表面能物质上构造微纳米级的粗糙度。
　　 本论文受荷叶和银泽菊叶自清洁现象的启发，首先通过静电纺丝技术制备醋酸纤维素(CA)纳米纤维膜，之后采用无溶剂法合成了一种具有低表面势能的聚合物含氟聚苯并噁嗪(F-PBZ)的单体(BAF-tfa)，并通过BAF-tfa在CA纤维膜中的原位聚合，获得具有低表面势能的F-PBZ/CA复合纤维膜，最后通过纳米SiO2颗粒的表面修饰得到一种具有仿荷叶、仿银泽菊叶结构的，且具有超疏水/超亲油能F-PBZ/CA/SiO2功能膜。在静电纺过程中，由于射流发生快速的相分离，纤维表面呈现出类似银泽菊叶表面褶皱沟槽状的粗糙结构。之后通过BAF-tfa和纳米SiO2颗粒对静电纺CA纤维进行表面修饰，其中BAF-tfa和纳米SiO2颗粒的添加量是影响纤维的表面势能和粗糙度的关键因素，当BAF-tfa的含量为1.0％，纳米SiO2颗粒的添加量为2.0％时，经过表面修饰的纤维膜与水的接触角达到最大为161°和最小的滚动角为2°。此外，复合改性之后的纤维膜具有一定的机械强度和在不同pH环境下超疏水性能的稳定性。并且与油滴的接触角由原来的25°减小至3°，具有超疏水/超亲油的性能。并且，在30秒内可快速分离200g油水混合物，分离效率达99％以上。我们认为这类新型复合有机纤维功能膜在新型自清洁服装、工业油污水治理和油污清理领域具有广泛的应用前景。
　　 此外，本课题还通过核磁共振和傅氏转换红外线光谱分析仪对合成的BAF-tfa，进行化学组成的表征和分析;并通过场发射扫面电镜、表面轮廓仪、光学接触角测量仪、傅氏转换红外线光谱分析仪和比表面积测试仪等测试对复合改性之后的纤维膜进行表征，并引用Wenzel和Cassie理论模型对纤维膜润湿性进行分析，探究纤维膜的表面形貌和化学组成对其润湿性的影响。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 自然界的超疏水现象

1．3 超疏水的理论基础

1．3．1 接触角及Young氏方程

1．3．2 Wenzel理论

1．3．2 Cassie理论

1．3．3 Wenzel模型和Cassie模型之间的关系

1．3．4 滚动角以及接触角滞后

1．4 超疏水表面的制备技术

1．4．1 等离子处理法

1．4．2 气相沉积法

1．4．3 自组装技术

1．4．4 溶胶凝胶法

1．4．5 模板法

1．4．6 刻蚀法

1．4．7 静电纺丝法

1．5 静电纺丝技术

1．5．1 静电纺丝概论

1．5．2 静电纺丝原理

1．5．3 静电纺丝设备

1．6 聚苯并噁嗪树脂

1．6．1 聚苯并噁嗪树脂的概述

1．6．2 聚苯并噁嗪树脂的性能及应用

1．7 课题研究的目的和内容

1．7．1 研究目的

1．7．2 研究内容

1．7．3 研究方法

第二章 实验部分

2．1 引言

2．2 实验原料和仪器

2．2．1 实验原料

2．2．2 实验仪器

2．3 实验过程

2．3．1 静电纺CA纳米纤维的制备

2．3．2 含氟聚苯并噁嗪单体的合成

2．3．3 F-PBZ改性静电纺CA纤维的制备

2．3．4 F-PBZ／SiO2改性静电纺CA纤维的制备

2．4 测试与表征

2．4．1 核磁共振(NMR)表征

2．4．2 红外光谱(FTIR)表征

2．4．3 场发射扫描电镜(FE-SEM)表征

2．4．4 表面轮廓仪表征

2．4．5 润湿性能表征

2．4．6 比表面积表征

2．5 苯并噁嗪单体的结构表征

2．5．1 BAF-tfa 单体的核磁共振氢谱(HNMR)分析

2．5．2 BAF-tfa 单体的核磁共振氟谱(FNMR)分析

2．5．3 BAF-tfa 单体的红外光谱(FTIR)分析

2．5 本章小结

第三章 F-PBZ 改性静电纺CA纤维的润湿性能研究

3．1 引言

3．2 结果与分析

3．2．1 F-PBZ／CA复合纤维膜的润湿性分析

3．2．2 F-PBZ／CA复合维膜的形貌分析

3．2．3 F-PBZ／CA复合纤维膜的粗糙度分析

3．2．4 F-PBZ／CA复合纤维膜的红外光谱分析

3．3 本章小结

第四章 F-PBZ／SiO2改性静电纺CA纤维的润湿性能研究

4．1 前言

4．2 结果与分析

4．2．1 SiO2 含量对 F-PBZ／CA复合纤维膜的润湿性能分析

4．2．2 SiO2含量对F-PBZ／CA复合纤维膜的形貌分析

4．2．3 SiO2含量对F-PBZ／CA复合纳米纤维膜的粗糙度分析

4．2．4 SiO2含量对F-PBZ／CA复合纳米纤维膜的比表面积分析

4．2．5 F-PBZ／SiO2／CA复合纳米纤维膜的红外光谱分析

4．3 F-PBZ／SiO2／CA复合纤维膜在油水分离中的应用

4．3．1 F-PBZ／SiO2／CA复合纳米纤维膜的耐酸碱性

4．3．2 F-PBZ／SiO2／CA复合纳米纤维膜在油水分离中的应用

4．4 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