碳纳米材料/聚偏氟乙烯共混膜的制备、改性与吸附性能的研究

摘要

近年来，膜蒸馏技术的快速发展推动了膜材料在水处理、油水分离、催化剂等方面的应用。然而，膜材料的成本较高、来源缺乏且性能缺陷影响着膜材料在其他行业的发展。聚偏氟乙烯(PVDF)由于其良好的热稳定性、力学性能及耐化学性，成为超滤、微滤领域中常用的膜材料。然而聚偏氟乙烯膜的疏水性较强，极容易受到污染，导致水通量降低。故针对疏水性PVDF膜在长时间水处理中使用易受到污染物附着的问题，采用硅烷偶联剂对其表面亲、疏水改性以调控膜表面的亲疏水性能。同时，膜的制备过程中采用共混改性法将具有优异的电学、力学和热学性能且分散性较好的MWCNTs-COOH添加到PVDF膜中，以提高PVDF膜的抗污染性和多功能性。
　　本文的研究内容分为两部分:一、为提高MWCNT/PVDF共混膜的抗污染和亲疏水性，采用不同的碱处理时间或不同条件的等离子体处理表面使表面-OH增多，然后预处理的共混膜通过浸入不同浓度的十八烷基三氯硅烷(OTS)或者3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTE)溶液中进行更完全的接枝，从而提高膜的拉伸强度，亲疏水性和抗污染性。二、选用多壁碳纳米管(MWCNTs)或氧化石墨烯(GO)或还原氧化石墨烯(RGO)/聚偏氟乙烯共混膜为基底，运用溶胀冷冻干燥法，在溶胀剂DMF/H2O的溶胀、液氮浴的冷冻、空气的干燥下，形成MWCNT(GO、RGO)/PVDF/DMF/H2O三维多孔PVDF共混膜。
　　采用傅立叶红外光谱(FT-IR)、场发射扫描电镜(FESEM)、水接触角(WCA)、氮气的吸附-脱附(BET)、压汞等测试方法，表征PVDF共混膜改性后表面形态、亲疏水性及孔隙率的变化情况。分析结果表明，接枝浓度5wt％OTS的改性膜接触角从90°增加到141.9°，并发现最佳OTS浓度和碱处理时间分别为5wt％和10min。同时，三步法改性后多孔膜受溶胀剂中DMF浓度、溶胀时间和冷冻时间的影响对膜的晶型结构、膜形貌、吸附性能和力学性能等进行了表征。从表面形貌图中观察到，网络状孔结构分别出现在CNT/PVDF膜经4wt％DMF/H2O溶胀15min冷冻1.5h和RGO/PVDF共混膜在浓度为8wt％DMF/H2O溶液中溶胀15min冷冻0.5h。且含有RGO和CNT的改性多孔膜的吸附性能最高分别为0.6mg/g和1.03mg/g。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 膜分离技术

1．1．1 膜分离技术的发展历程

1．1．2 膜分离技术的特点及分类

1．2 膜分离过程的膜材料

1．2．1 膜材料的类型

1．2．2 膜的制备工艺

1．3 CNT/PVDF共混膜的表面活化处理

1．3．1 低温等离子体激发膜表面活性

1．3．2 液相法激发膜表面活性

1．4 膜的改性方法

1．4．1 共混膜的制备方法

1．4．2 共混膜的改性方法

1．5 共混膜改性的研究背景

1．5．2 溶胀冷冻法制备PVDF多孔膜的研究背景

1．6 本课题研究意义及研究内容

1．6．1 研究意义

1．6．2 研究内容

第2章 共混膜的制备及性能表征

2．1．2 实验所用的仪器及设备

2．2 共混膜结构及性能的表征

2．2．2 X射线衍射分析(XRD)

2．2．3 场发射扫描电子显微镜(FESEM)

2．2．6 重量法测定孔隙率

2．2．7 力学性能分析

2．2．8 吸附性能分析

2．2．9 膜的渗透通量

第3章 CNT/PVDF共混膜接枝硅烷偶联剂改性后亲水性能的研究

3．1 引言

3．2 实验过程

3．2．1 共混膜的制备

3．2．2 碱预处理或等离子体激活

3．2．3 接枝硅烷偶联剂

3．3 疏水改性实验机理

3．4 疏水改性结果与讨论

3．4．2 接枝7wt％硅烷疏水改性共混膜的SEM表征

3．4．3 接枝2wt％硅烷疏水改性共混膜的SEM表征

3．4．4 接枝2wt％硅烷疏水改性共混膜的压汞测试分析

3．4．5 接枝2wt％硅烷疏水改性共混膜的吸附性能测试

3．4．6 接枝5wt％硅烷后的测试分析

3．4．7 疏水改性共混膜的接触角分析

3．4．8 疏水改性共混膜的力学性能分析

3．5 亲水改性结果与讨论

3．5．1 亲水改性共混膜的红外分析

3．5．2 亲水改性共混膜的SEM分析

3．5．3 亲水改性共混膜的压汞测试分析

3．5．4 亲水改性共混膜对亚甲基蓝的吸附性能分析

3．5．5 亲水改性共混膜的接触角分析

3．6 本章小结

第4章 溶胀冷冻法制备可控多孔PVDF共混膜的结构与性能的研究

4．1 引言

4．2 实验过程

4．2．1 共混膜的制备

4．2．2 共混膜的溶胀冷冻干燥

4．2．3 正交设计表

4．3 结果与讨论

4．3．1 多孔膜的XRD分析

4．3．2 多孔CNT/PVDF共混膜的SEM分析

4．3．3 多孔GO/PVDF共混膜的SEM分析

4．3．4 多孔RGO/PVDF共混膜的SEM分析

4．3．5 多孔共混膜的接触角分析

4．3．6 多孔膜的吸附性能测试与分析

4．3．7 压汞法及重量法测定共混膜的孔隙率分析

4．3．8 多孔膜力学性能分析

4．3．9 CNT/PVDF共混多孔膜的SEM分析

4．3．10 CNT/PVDF共混膜的吸附性能测试

4．3．11 CNT/PVDF共混膜的孔隙率分析

4．3．12 RGO／PVDF共混膜表面形貌、吸附性能及孔径分布分析

4．4 本章小结

第5章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

攻读硕士期间发表的学术成果

致谢