金属-有机框架材料Cu-BTC的制备及其在功能涤纶纤维开发中的应用

摘要

随着科学技术的发展和人民生活水平的提高，功能纺织品成为纺织品的发展方向和趋势，开发新型功能纺织品是当今纺织科技的热门课题之一。据国内外研究发现，金属有机框架材料(MOFs)具有丰富的纳米孔结构和高比表面积特性，因而在吸附、分离、催化等领域具有良好的应用，将金属有机框架材料应用于纺织品领域，在开发新型功能纺织品方面具有十分广阔的应用前景。为此，本论文采用水热合成法制备铜金属有机框架材料Cu-BTC，研究了表面活性剂对Cu-BTC粒径的影响;采用水热生长法和循环浸渍法在碱减量涤纶纤维表面原位生长Cu-BTC，制备Cu-BTC/涤纶纤维复合材料，实现对涤纶织物的新型功能开发。具体研究内容和结果如下:
　　第一部分:金属有机框架材料Cu-BTC的制备、表征及性能测试。以三水硝酸铜(Cu(NO3)2·3H2O）为金属铜源，均苯三甲酸(H3BTC)为有机配体，以表面活性剂为粒径调控剂，采用水热合成法制备Cu-BTC。研究表面活性剂对Cu-BTC粒径的影响，筛选出调控粒径效果最佳的表面活性剂，应用于Cu-BTC的制备。采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)、傅立叶红外光谱(FT-IR)、比表面积(BET)等测试手段表征和测试分析Cu-BTC结构和性能。结果表明:在所选表面活性剂中，非离子表面活性PVP对Cu-BTC的粒径调控效果最佳，当水热溶液中PVP的浓度为1.4×10-4mol/L时，Cu-BTC的平均粒径达到最小，为2.4μm。对比未加入表面活性剂PVP制得的Cu-BTC，加入PVP所制Cu-BTC粒径明显较小，晶型结构无变化，且形貌规整，Cu-BTC比表面积和对N2的吸附量增大。
　　第二部分:Cu-BTC/涤纶纤维复合材料的直接水热生长法制备及其性能测试。以碱减量处理的涤纶为载体，以PVP为Cu-BTC粒径调控剂，采用直接水热生长法制备Cu-BTC/涤纶纤维复合材料。研究表面活性剂PVP对复合材料表面Cu-BTC粒径及形貌的影响，探讨涤纶减量率和浸渍硝酸铜溶液中物质的量(nCu(NO3)2)对Cu-BTC固着率的影响，优化Cu-BTC/涤纶纤维复合材料的制备工艺条件。采用XRD、FT-IR、热重分析(TG)、BET等方法表征和测试复合材料的结构和性能，并测试复合材料的水洗牢度以及对甲醛的吸附性能。结果表明，加入PVP有助于纤维表面Cu-BTC的粒径减小和形貌规整;涤纶碱减量处理有助于提高Cu-BTC在纤维表面的固着率，Cu-BTC固着率随着减量率的提高和nCu(NO3)2增加而逐渐增大，最终趋于恒值。当碱减量的NaOH质量浓度为20g/L，浸渍溶液中nCu(NO3)2为4mmol时，Cu-BTC在涤纶纤维上的固着率达到26.3％，粒径约为2-3μm。所制Cu-BTC/涤纶纤维复合材料具有较好的热稳定性和较高的比表面积，对甲醛具有较好的吸附性能，但其水洗牢度较差。
　　第三部分:Cu-BTC/涤纶纤维复合材料的循环浸渍法制备及其性能测试。将碱减量涤纶分别在金属离子溶液和有机配体溶液中交替循环浸渍，实现Cu-BTC在碱减量涤纶纤维表面的逐层生长，制备Cu-BTC/涤纶纤维复合材料。研究循环浸渍的次数和浸渍溶液中反应物物质的量对Cu-BTC粒径及固着率的影响，采用XRD、FT-IR、BET等方法表征和测试分析所制Cu-BTC/涤纶纤维复合材料的结构和性能，同时测试其水洗牢度，研究复合材料对甲醛的吸附性能。研究表明，Cu-BTC在涤纶纤维上的固着率随着循环次数的增加而提高，粒径随着浸渍溶液中物质的量减小而降低;当溶液中nCu(NO3)2=1mmol，nH3BTC=0.5mmol，浸渍的循环次数为60次时，Cu-BTC在碱减量涤纶纤维上的固着率达到34.2％，粒径为2μm左右。所制Cu-BTC/涤纶纤维复合材料水洗牢度较好，比表面积和吸附性能相对水热法制备具有明显的的提升。
　　研究表明:表面活性剂PVP能有效减小Cu-BTC的粒径;采用水热生长法和循环浸渍法在涤纶纤维表面原位生长Cu-BTC，涤纶纤维的碱减量可以提高Cu-BTC的负载量;循环浸渍法所制Cu-BTC/涤纶纤维复合材料具有更高的比表面积和吸附性能，水洗牢度较好。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 金属有机框架材料Cu-BTC的研究进展

1．2．1 扩散法

1．2．2 机械搅拌法

1．2．3 微波辅助法

1．2．4 超声波制备法

1．2．5 电化学法

1．2．6 水热合成法

1．3 表面活性剂在材料制备中的应用

1．3．1 控制材料的大小和形貌

1．3．2 改善材料的表面性能

1．3．3 控制材料的结构

1．4 金属有机框架材料在纤维材料中的应用研究现状

1．4．1 静电纺丝法

1．4．2 喷墨法

1．4．3 辐射接枝法

1．4．4 室温逐滴滴加法

1．4．5 水热生长法

1．4．6 浸渍法

1．5 本课题的提出、研究内容及创新点

1．5．1 本课题的提出

1．5．2 主要研究内容

1．5．3 创新点

参考文献

第二章 金属有机框架材料Cu-BTC的制备、表征及性能测试

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验材料与仪器

2．2．2 实验方法

2．2．3 表征方法

2．3 结果与讨论

2．3．1 Cu-BTC的结构表征与性能测试

2．3．2 表面活性剂条件下Cu-BTC的制备

2．4 本章小结

参考文献

第三章 Cu-BTC／涤纶纤维复合材料的直接水热生长法制备及其性能测试

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验材料与仪器

3．2．2 实验方法

3．2．3 测试方法

3．3 结果与讨论

3．3．2 涤纶减量率对Cu-BTC固着率的影响

3．3．3 浸渍的硝酸铜溶液对Cu-BTC固着率的影响

3．4 Cu-BTC／涤纶纤维复合材料表征及性能测试

3．4．2 Cu-BTC／涤纶纤维复合材料的FT-IR分析

3．4．4 Cu-BTC／涤纶纤维复合材料的N2吸附-脱附性能测试

3．4．5 Cu-BTC／涤纶纤维复合材料的水洗牢度测试

3．4．6 Cu-BTC／涤纶纤维复合材料的甲醛吸附性能测试

3．5 本章小结

参考文献

第四章 Cu-BTC／涤纶纤维复合材料的循环浸渍法制备及其性能测试

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 实验材料与仪器

4．2．2 实验方法

4．2．3 测试方法

4．3 结果与讨论

4．3．2 浸渍溶液对Cu-BTC固着率及粒径的影响

4．4 Cu-BTC／涤纶纤维复合材料表征及性能测试

4．4．2 Cu-BTC／涤纶纤维复合材料的XRD分析

4．4．4 Cu-BTC／涤纶纤维复合材料的N2吸附-脱附性能分析

4．4．5 Cu-BTC／涤纶纤维复合材料的水洗牢度测试

4．4．6 Cu-BTC／涤纶纤维复合材料的甲醛吸附性能测试

4．5 本章小结

参考文献

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

致谢

附录