静电纺丝PMIA分子构象变化对表面性能的影响及其应用研究

摘要

本文选取具有刚性规整直链结构的聚间苯二甲酰间苯二胺(PMIA)作为研究对象，其具有高疏水性与难染色性。以静电纺丝法研究PMIA“自由”的分子链段在静电场下定向运动的规律，以ATR-IR、Raman、ARXPS、SFG等一系列表征手段论证分子链构象的转变，探讨PMIA分子链中亲水的酰胺基团的构象变化，并富集于材料表面，而导致PMIA材料由表面疏水性变为亲水性的机理。亲水性PMIA纳米纤维展示出对染料、带电离子、带电粒子的选择吸附性能，并且可通过反复切换酰胺基的构象变化来达到改善材料的染色性能的目的，形成一种“分子链段开关”。基于该理论体系，亲水性PMIA膜可直接作为染料回收利用的功能性材料，也可以通过在表面纵向生长，或在表面向内进行原位刻蚀构筑出分级结构，可开发出应用于水油分离、自清洁等新型功能材料。具体研究内容如下:
　　1、研究了以静电纺丝与离心纺丝法分别制备PMIA纳米纤维的制备方法，优选各项实验参数与制备条件，并探讨PMIA溶解于DMAc与LiCl的混合体系机理。
　　2、通过将形貌与结构相似的离心纺丝与静电纺丝的PMIA纳米纤维作为对比，研究PMIA在静电场作用下表面由疏水性变为亲水性的机理，论证因为在静电场下PMIA分子链段产生的构象变化导致表面亲疏水性能变化，同时获得各种优越的性能。在该材料表面进行Pt纳米粒子原位生长实验和对染料吸附的研究进一步证实了分子链构象变化的理论。
　　3、以代表本体性能的PMIA涂膜与静电纺丝PMIA纳米纤维进行对比，通过反复将PMIA静电纺丝纳米纤维膜与涂膜的表面分子链段构象进行可逆性转化，提出分子链段开关的概念，达到控制表面润湿性及吸附性，同时改善PMIA的染色性能的目的。
　　4、基于静电纺丝PMIA表面构象变化，通过在PMIA纤维表面纵向生长SiO2纳米丝，制备一种具有预防表面破坏的预警功能的PMIA超疏水亲油功能材料，应用于水/油分离。在各种高温、酸/碱溶液、海水等多种严苛环境下，能够呈现出稳定的超疏水性，高分离效率及耐久性。被分离出来的油均可进行无损式定点回收利用。在PMIA基材中添加的刚果红可作为颜色指示剂，用来监控超疏水表面的失效情况并示警，表面破坏之后可再生恢复。
　　5、对静电纺丝PMIA纳米纤维以水热法在高温高压条件下进行湿法刻蚀与再结晶，生成仿生鸭羽形的多级微纳结构，表面经氟处理之后可制备为超疏水疏油材料，具有表面自清洁功能。研究构效变化并建立机理模型。该材料对水与油的表面接触角可达151°和136°。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 静电纺丝法的研究

1．1．1 原理及影响因素

1．1．2 静电纺丝纤维的分子取向及构象研究

1．1．3 与离心纺丝纳米纤维的差异性研究

1．2 聚合物静电纺丝纳米纤维的应用

1．3 间位芳纶纳米纤维研究

1．3．1 对PMIA性能改善的研究

1．3．2 PMIA静电纺丝纳米纤维

1．4 论文的选题意义及主要工作

1．4．1 选题意义

1．4．2 主要工作

参考文献

2．1 前言

2．2 实验部分

2．2．1 主要试剂及仪器设备

2．2．2 样品制备

2．2．3 表征手段及仪器

2．3 结果与讨论

2．3．1 静电纺丝纳米纤维的形成机理探讨

2．3．2 PMIA静电纺丝纳米纤维的表征

2．3．3 离心纺丝纳米纤维

2．4 本章小结

参考文献

第三章 静电纺丝间位芳纶纤维表面构象的变化及其性能研究

3．1 前言

3．2 实验部分

3．2．1 主要试剂及仪器设备

3．2．2 样品制备

3．2．3 表征手段及仪器

3．2．4 染料吸附实验

3．3 结果讨论

3．3．1 PMIA纳米纤维的表征

3．3．2 构象变化的静电纺丝PMIA纳米纤维的形成机理分析

3．3．3 静电纺丝PMIA纳米纤维的表面性能研究

3．4 本章小结

参考文献

第四章 聚合物链段开关：一种可提高PMIA染色性能的策略

4．1 前言

4．2 实验部分

4．2．1 主要试剂及仪器设备

4．2．2 制备过程

4．2．3 膜表面原位生长Au纳米粒子

4．2．4 染料吸附实验

4．2．5 表征手段及仪器

4．3 结果讨论

4．3．1 PMIA膜的表征

4．3．2 膜表面原位生长金纳米粒子

4．3．3 染料吸附研究

4．3．4 利用表面差异来提高PMIA膜的染色性能

4．4 本章小结

参考文献

第五章 超疏水超亲油静电纺丝PMIA膜应用于严苛条件下水油分离

5．1 前言

5．2 实验部分

5．2．1 主要试剂及仪器设备

5．2．2 样品制备

5．2．3 表征手段及仪器

5．2．4 水油分离性能测试

5．3 结果与讨论

5．3．1 表面具有多级微纳结构的PMIA/SiO2-SN膜的制备

5．3．2 制备条件对形貌结构的影响及其构效研究

5．3．3 功能及应用研究

5．4 本章小结

参考文献

第六章 具有多级结构的仿生羽毛式聚合物纳米纤维的制备

6．1 前言

6．2 实验部分

6．2．1 主要试剂及仪器设备

6．2．2 样品制备

6．2．3 表征手段及仪器

6．3 结果讨论

6．3．1 双疏性的仿生羽毛结构PMIA纳米纤维膜的制备

6．3．2 仿生羽毛结构PMIA纳米纤维膜的形成机理

6．3．3 仿生羽毛结构PMIA纳米纤维膜的表面成分和浸润性

6．4 本章小结

参考文献

7．1 总结

7．2 不足与展望

博士期间发表论文

中国发明专利

致谢