有机/无机复合纳米纤维的制备及性能研究

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静电纺丝(Electrospinning)是指通过电场力对表面带电荷的聚合物溶液或熔体牵伸制备纤维的一种工艺。利用静电纺丝技术可以制备性能稳定、纤维直径均匀且连续的纳米纤维无纺布,其具有一定的自支撑性、可调控的孔隙率以及大比表面积等优点。无机功能纳米粒子常以粉体的形式存在,往往会因为其自身的纳米尺度而出现团聚。如在含重金属污水处理领域,大多数无机功能纳米吸附剂都具有较高的理论吸附效能,但在溶液中的团聚会降低其吸附性能。而且纳米吸附剂的后处理较为复杂,经济成本高,处理不当会造成二次污染。利用纳米纤维无纺布比表面积大、自支撑性和孔隙率适宜等特性,将无机功能纳米粒子与纳米纤维结合制备复合纤维无纺布,即可解决上述问题。有机/无机复合纳米纤维就是在兼顾纳米纤维自身优异特性的同时,赋予纳米纤维更多的功能。本文中通过表面修饰和掺杂混纺这两种常用纳米纤维功能化的方法分别制备了聚丙烯腈/聚吡咯/二氧化锰(PAN/PPy/MnO2)纳米纤维无纺布和聚酰亚胺/四氧化三铁(PI/Fe3O4)磁性纳米纤维无纺布,并详细研究了PAN/PPy/MnO2纳米纤维无纺布对溶液中Pb(Ⅱ)离子的去除行为和分离机理。1、采用化学氧化法在PAN纳米纤维上包覆一层PPy后再利用PPy具有的还原性,与高锰酸钾溶液作用,在得到的PAN/PPy核壳纳纤维表面原位生成纳米级Mn02,即可制备具有多层次结构的PAN/PPy/MnO2纳米纤维无纺布。该PAN/PPy/MnO2纳米纤维无纺布对溶液中的Pb(Ⅱ)离子具有良好的吸附特性。通过红外测试结果可以确认PAN纳米纤维上成功包覆了PPy和MnO2。通过电子扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)对所得纤维的形貌进行观察,可确认纤维的核壳结构。基于热重分析(TGA),我们可以估算出PAN/PPy/MnO2纳米纤维无纺布中MnO2的含量约为9.25 wt.%。吸附实验表明:PAN/PPy/MnO2纳米纤维无纺布对Pb(Ⅱ)离子的吸附具有pH依赖性,较高的溶液pH有利用PAN/PPy/MnO2纳米纤维无纺布对Pb(Ⅱ)离子的吸附,吸附动力学行为符合准二级动力学模型(pseudo-second-order model),吸附平衡大约需要120 min,等温吸附过程符合朗缪尔(Langmuir)等温模型。吸附过程为自发、吸热。吸附机理主要为Mn02表面的质子与溶液中的Pb(Ⅱ)离子之间的离子交换,高Mn02含量和大的比表面积协同决定PAN/PPy/MnO2纳米纤维优异的吸附性能。在酸性条件下,PAN/PPy/MnO2纳米纤维可实现再生,循环吸附5次后仍具有约80%的吸附性能;2、采用聚酰胺酸(PAA)/有机铁盐(Fe(acac)3)混合溶液进行静电纺丝得到PAA/Fe(acac)3纳米纤维无纺布,并对其进行热处理得到PI/Fe3O4磁性纳米纤维无纺布。通过SEM、TEM、X射线电子衍射(XRD)、振荡采样磁力计(VSM)等对纺丝过程和所得纤维的形貌与物性进行了分析表征,并测试了其耐溶剂性能。结果表明:纺丝纤维直径与PAA固含量相关,当PAA固含量由6.32%增加8.62%,平均直径从~200 nm增加到~500 nm。协同变化纺丝参数对纤维直径影响不大。本实验中最佳热处理条件为热处理Ⅲ:氮气氛下,以5℃.min-1的速率升温到200℃,保持1.5 h,再继续升温到300℃,保持1.5 h,最后升温到450℃下保持1.5 h。所得的磁性物质为Fe3O4,所得磁性纳米纤维无纺布的最大饱和磁强可达10.46 emu·g-1。所得磁性PI/Fe3O4纳米纤维对大部分有机溶剂具有一定耐受性。
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