甲壳素晶须对纳米纤维及质子交换膜的增强性能研究

摘要

近年来，随着化石燃料的储备逐渐减少以及人们对环境问题越来越关注，生物基和生物降解的材料引起了人们很大的关注。甲壳素是地球上第二丰富的天然高分子多糖，可以从甲壳动物虾、蟹、昆虫的外壳、真菌或昆虫的细胞壁等获得。甲壳素纳米晶须(CNWs)是通过去除甲壳素中的无定型区域获得的单个的甲壳素微晶，具有良好的生物相容性、无毒、强的亲水性以及生物可降解性以及优异的力学性能，是一种理想的聚合物纳米填料。
　　本论文通过TEMPO媒介氧化体系制备了类似棒状形貌的甲壳素纳米晶须，并对其结构与性能进行了研究:CNW呈棒状或针状，其直径约为33纳米，长度为150～550纳米，平均长径比约为10;相比甲壳素，晶须的结晶度提高至89.6％。为拓展CNWs的应用领域，本论文进行了两方面的探讨:
　　(1)将CNWs分散到聚丙烯腈(PAN)溶液中，利用溶液喷射纺丝技术（solution blowing）制备了PAN/CNWs纳米纤维，研究结果表明:晶须以“竹节状”沿纤维方向分布，晶须的引入提高了纤维的结晶性能与热性能;CNWs的适量添加可提高纤维的力学性能，3％添加量时其力学性能提高了75％，但晶须进一步增加时，纤维拉伸断裂强度则呈现减小的趋势;为此，对CNWs进行表面氨基化改性，改善其与聚合物基体的相容性，有效提高了纤维的力学性能。
　　(2)将晶须添加到磺化聚醚砜(SPES)溶液中，通过流延刮涂法制备了SPES/CNWs复合质子交换膜，复合膜表面平整、致密，晶须均匀的分布在SPES基体中，提升了复合膜的力学性能、热稳定性与尺寸稳定性;晶须的亲水性提高了复合膜的吸水率，同时提高了复合膜的质子传导率，表明SPES/CNWs复合膜是一种性能良好的质子交换膜。
　　本论文利用CNWs建立了溶液喷射纳米纤维增强和质子交换膜质子传递过程强化的新方法，取得了良好的研究结果，为CNWs拓展了新的应用方向。

目录

声明

摘要

第一章 前言

1．1 甲壳素及甲壳素晶须研究现状

1．1．1 甲壳素

1．1．2 甲壳素晶须的制备方法

1．1．3 甲壳素纳米晶须／聚合物复合材料

1．2 纳米纤维及其制备技术研究进展

1．2．1 纳米纤维的应用

1．2．2 纳米纤维的制备技术研究进展

1．3 质子交换膜研究概述

1．3．1 燃料电池技术

1．3．2 燃料电池的分类

1．3．3 质子交换膜燃料电池(PEMFC)

1．3．4 质子交换膜

1．3．5 质子交换膜的改性

1．4 本论文研究内容与意义

第二章 甲壳素纳米晶须的制备与表征

2．1 引言

2．2 原料及主要仪器

2．3 甲壳素纳米晶须的制备

2．4 甲壳素晶须的表征

2．4．1 甲壳素晶须扫描电镜形貌观察(SEM)

2．4．2 甲壳素晶须透射电镜形貌观察(TEM)

2．4．3 甲壳素晶须的FTIR测试

2．4．4 甲壳素晶须的XRD测试

2．5 结果与讨论

2．5．1 形貌分析

2．5．2 化学结构分析

2．5．3 晶须结晶性能分析

2．6 本章小结

第三章 甲壳素晶须／PAN纳米复合纤维的制备与研究

3．1 引言

3．2 原料及主要仪器

3．3 甲壳素纳米晶须／聚丙烯腈(CNW／PAN)纳米纤维的制备

3．4 PAN／CNW纳米纤维的表征

3．4．1 PAN／CNW纳米纤维的扫描电镜形貌观察(SEM)

3．4．2 PAN／CNW纳米纤维的透射电镜形貌观察(TEM)

3．4．3 PAN／CNW纳米纤维的FTIR测试

3．4．4 PAN／CNW纳米纤维膜的XRD测试

3．4．5 PAN／CNW纳米纤维的热稳定性测试(TG)

3．4．6 PAN／CNW纳米纤维的拉伸性能测试

3．5 结果与讨论

3．5．1 PAN／CNW纳米纤维的形貌分析

3．5．2 PAN／CNW纳米纤维的化学结构表征(FTIR)

3．5．3 PAN／CNW纳米纤维的结晶性表征(XRD)

3．5．4 PAN／CNW纳米纤维的热稳定性分析

3．5．5 PAN／CNw纳米纤维的拉伸性能测试

3．6 本章小结

第四章 甲壳素晶须／磺化聚醚砜质子交换膜的制备与研究

4．1 引言

4．2 原料及主要仪器

4．3 SPES／CNWs复合质子交换膜的制备

4．3．1 磺化聚醚砜的合成

4．3．2 SPES／CNWs复合膜的制备

4．4 SPES／CNWs复合膜的性能表征

4．4．1 SPES／CNWs复合膜的扫描电镜形貌观察(SEM)

4．4．2 SPES／CNWs复合膜的XRD测试

4．4．3 SPES／CNWs复合膜的FTIR测试

4．4．4 SPES／CNWs复合膜的拉伸测试

4．4．5 SPES／CNWs复合膜的热稳定性测试(TG)

4．4．6 SPES／CNWs复合膜的吸水率与溶胀率测试

4．4．7 SPES／CNWs复合膜的电导率测试

4．5 结果与讨论

4．5．1 SPES／CNWs复合膜的形态结构分析

4．5．2 SPES／CNWs复合膜的XRD分析

4．5．3 SPES／CNWs复合膜的化学结构(FTIR)分析

4．5．4 SPES／CNWs复合膜的机械性能分析

4．5．5 SPES／CNWs复合膜的热稳定性分析

4．5．6 SPES／CNWs复合膜的吸水率与溶胀率分析

4．5．7 SPES／CNWs复合膜的质子传导率分析

4．6 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 全文总结

5．2 展望

参考文献

攻读硕士期间主要科研成果

致谢