多孔介质中DBS的原位自组装行为及其应用研究

摘要

有机小分子凝胶剂能够采用“自下而上”的方法，通过非共价键相互作用力在多孔介质中形成纳米纤维。这种制备纳米纤维的方法可以有效的调控多孔介质的结构。本文结合实验室的研究工作，首先将有机小分子凝胶剂引入溶液喷射纺纳米纤维，探索了其对纳米纤维结构的调控规律，制备了有机小分子凝胶纳米纤维-溶液喷射纺纳米纤维的多级纳米纤维膜，并开展了应用于微滤的应用研究。其次将有机小分子凝胶剂引入PVDF微滤膜，构建自组装纳米纤维-Nafion复合质子传输通道，研究了复合质子交换膜的结构与性能。具体内容如下:
　　探讨溶剂的极性、氢键作用力及DBS的浓度对DBS在纳米纤维膜内生成的影响规律，结果表明DBS自组装聚集形态受溶剂极性、分子间氢键作用力及其浓度的影响。在一定浓度范围内，溶剂极性较强，DBS纳米纤维较少;溶剂极性较弱，在适宜的浓度下形成大量均匀的DBS纳米纤维，且DBS纳米纤维直径随着溶剂极性的增加而减小。溶剂氢键作用力弱，DBS自组装纳米纤维较少;溶剂氢键作用力强，DBS自组装纳米纤维大量均匀填充在PAN基质中，且随着溶剂氢键作用力的增加，DBS纳米自组装直径增加。随着DBS浓度的增大，DBS自主装由纤维到薄膜的转变，且溶剂相同时，小范围的浓度变化DBS纳米纤维几乎没有变化，只是改变了DBS纳米纤维的填充密度。
　　针对纳米纤维难以实现纤维结构的精细调控，通过DBS在溶液喷射纺PAN纳米纤维膜内的原位生长制备了PAN/DBS多级纳米纤维膜，形态结构表征表明表明DBS成功引入PAN纳米纤维中，生成了自组装纳米纤维-纺丝纳米纤维的多级纳米结构，DBS纤维的引入有效提高了纳米纤维膜的机械性能、纯水通量，且其过滤效率大大提高，大于1.3微米的颗粒的截留率可达100％;对PAN/DBS纳米纤维膜运行性能评价结果表明该膜具有良好的抗污染效果，且在含有乙酸丁脂等有机物的水溶液中表现良好的稳定性。
　　针对Nafion膜溶胀及阻醇能力差的问题，通过在PVDF膜中DBS的原位自组装再复合Nafion基质的方法制备了复合质子交换膜，研究膜的结构与性能。结果表明，DBS在膜孔内自组装生成了纳米纤维，该纤维的存在使得复合膜与PVDF/Nafion膜相比，表现出良好的质子传导性能、单电池性能、较低的甲醇渗透性，且具有较高的吸水率、较低的溶胀率以及良好的尺寸稳定性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 有机小分子凝胶的自组装行为及其研究进展

1．1．1 有机小分子凝胶剂简介

1．1．2 有机小分子凝胶机理

1．1．3 有机小分子凝胶剂自组装的影响因素

1．1．4 有机小分子凝胶剂分类与发展

1．1．5 有机小分子凝胶剂的应用

1．2 纳米纤维膜的制备技术及其应用于微滤膜的研究进展

1．2．1 膜分离技术概述

1．2．2 纳米纤维膜在膜过滤领域应用概述

1．2．3 纳米纤维制备方法

1．2．4 纳米纤维结构调控方法

1．3 质子交换膜概述及质子传递通道调控方法研究进展

1．3．1 质子交换膜概述

1．3．2 质子传递通道构建方法研究进展

1．4 本论文研究内容

第二章 多级纳米纤维膜的制备及其微滤的应用研究

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验试剂与仪器

2．2．2 PAN溶液喷射纺纳米纤维膜的制备

2．2．3 PAN／DBS HNFM多级纳米纤维膜的制备

2．2．4 PAN／DBS HNFM多级微滤膜结构与性能表征

2．3 结果与讨论

2．3．1 DBS在纳米纤维网中自组装的规律研究

2．3．2 PAN／DBS HNFM多级纳米纤维微滤膜的结构与性能表征

2．4 小结

第三章 多孔介质中质子传输通道的构建及其性能研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验试剂与仪器

3．2．2 多孔自组装质子交换膜的制备

3．2．3 性能表征

3．3 测试结果与讨论

3．3．1 PVDF／DBS膜的形貌分析

3．3．2 PVDF／DBS膜的结构表征

3．3．3 PVDF／DBS／Nafion质子交换膜的形貌分析

3．3．4 质子交换膜的吸水率和溶胀率分析

3．3．5 质子交换膜的质子传导率分析

3．3．6 质子交换膜的甲醇渗透性分析

3．3．7 质子交换膜的单电池性能分析

3．4 小结

第四章 结论与展望

4．1 结论

4．2 展望

参考文献

硕士期间主要科研成果

致谢