聚丙烯腈基复合纳米材料的制备及性能研究

论文摘要

随着纳米科技的发展和进步,许多性能及应用优异的的纳米材料已经被制备出来,并成为了当今社会中不可缺少的材料。在纳米材料的制备方法中,静电纺丝法作为一种简单易控、高效低耗的新兴技术倍受科学家的青睐。然而,随着人类生产生活的发展,单一结构纳米材料已经远远不能满足需要。无机／有机复合纳米材料由于其在电子学、医学、催化、环保等领域的广泛应用,成为了纳米材料领域的热点。然而对于上述应用而言,无机粒子的粒径分布及材料的机械性能对其应用起到至关重要的影响。在本论文的第二章中,我们采用高压静电纺丝法制备了不同形貌的PAN纳米纤维材料,观察了纺丝原液浓度升高过程中,纳米材料从纳米球到纳米纤维的过渡过程。在静电纺丝得到形貌均一,直径分布均匀的PAN纳米纤维的基础上对PAN纳米纤维膜进行化学改性,引入具有螯合金属离子能力的偕胺肟基团,最后制得了Ag/PAN, Pd/PAN复合纳米纤维膜。讨论了粒子与聚丙烯腈纳米纤维的作用方式,并通过测试证明了通过先改性后鳌合的方法能够得到表面负载均匀分散纳米粒子的无机/有机纳米材料,与传统简单掺杂纺丝的制备方法相比,避免了粒子聚集和包裹在纤维内的可能,为更好的提高应用性质打下了坚实基础。最后,分别研究了两种复合纳米纤维膜在催化亚甲基蓝褪色及Heck反应中的应用。结果表明Ag/PAN复合纳米纤维膜在7 min内即可完成亚甲基蓝的催化反应；表面负载Pd纳米粒子的聚丙烯腈复合纳米纤维作为催化剂对Heck芳基化反应的催化能力很高,反应后复合纤维膜仍然能够保持形态的完整,可以直接从反应液中分离、回收,重复使用五次后,得到反式3-苯基丙烯酸甲酯的产率为70.60%。在论文的第三章,我们将静电纺丝技术与化学改性、气固反应等方法相结合,制备出了三种附着不同无机硫化物的有机纳米复合纤维膜（CuS, PbS,Ag2S）,详尽的研究了气固反应合成CuS, PbS, Ag2S纳米粒子的生长情况以及无机粒子在纳米纤维上的分布情况。并研究了三种无机／有机纳米纤维膜在可见光区范围内对亚甲基蓝的光催化降解作用,发现,三种复合膜均可以在120 mmin内将亚甲基蓝完全降解。论文第四章旨在制备一种同时具有吸附及可见光催化性质的纳米复合材料。通过将静电纺丝技术与化学改性、高温碳化、简单掺杂等方法相结合得到了ZnO-SnO2/β-CD/PAN-co-AA纳米纤维膜。这种材料可以在吸附染料的同时将其降解,提高了可见光催化降解的效率。通过对反应体系中亚甲基蓝含量的测量发现,与单纯的ZnO-SnO2纳米粒子相比,ZnO-SnO2/β-CD/PAN-co-AA纳米复合材料对亚甲基蓝有更好的吸附和催化效果,可以在60 min内将其完全降解,环糊精的吸附作用在可见光催化工程中起到非常重要的作用。在论文的第五章,我们对传统的单喷头静电纺丝技术进行改性,开发了多喷头独立电场静电纺丝法,将微米纤维引入到纳米纤维薄膜中,通过调节注射泵流速来控制膜中两种类型纤维的质量比。本章考察了不同微米纤维添加质量对整个纤维膜机械性能的影响。结果发现纤维膜的机械性能随膜中微米纤维数量的增加而增加,当微米纤维膜与纳米纤维膜的质量比为3：1时,微-纳米纤维膜的拉伸强度是单一纳米纤维膜4.50倍,在此基础之上,进一步提高纤维的取向,可使拉伸强度再提高7.96倍。另外,我们还通过双喷头电纺丝法构筑了具有机械性能增强的pH微-纳米复合变色纤维膜,与单一的纳米变色纤维相比,复合变色纤维膜膜的变色性质基本没有受到影响,而微米纤维的添加使膜的拉伸强度由1.30MPa显著提高到6.90 MPa。这种多喷头静电纺丝技术克服了单一喷头纺丝产率低的缺点,为今后的大规模生产提供了可能。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 纳米材料
• 1.1.1 纳米科技
• 1.1.2 纳米材料
• 1.1.2.1 纳米材料的定义
• 1.1.2.2 纳米材料的特性
• 1.1.2.3 纳米材料的发展前景
• 1.2 静电纺丝法
• 1.2.1 静电纺丝法的发展
• 1.2.2 静电纺丝的装置
• 1.2.3 静电纺丝法理论基础
• 1.2.4 影响纤维形貌的因素
• 1.2.4.1 溶剂
• 1.2.4.2 纺丝原液浓度
• 1.2.4.3 施加电压
• 1.2.4.4 收集器形式
• 1.2.5 多喷头静电纺丝法
• 1.3 无机/有机复合纳米材料
• 1.3.1 无机有机复合纳米材料
• 1.3.2 无机/有机复合纳米材料的应用
• 1.3.2.1 化学催化
• 1.3.2.2 环境保护
• 1.3.2.3 光催化
• 1.3.2.4 传感器
• 1.4 本文立体依据
• 第2章 表面负载贵金属纳米粒子的复合纳米纤维
• 2.1 静电纺丝法制备聚丙烯腈纳米纤维
• 2.1.1 实验仪器与药品
• 2.1.2 实验步骤
• 2.1.3 结果与讨论
• 2.1.4 小结
• 2.2 表面负载Ag纳米粒子的PAN复合纳米纤维膜
• 2.2.1 实验仪器与药品
• 2.2.2 实验步骤
• 2.2.2.1 聚丙烯腈纳米纤维的制备
• 2.2.2.2 偕胺肟聚丙烯腈复合纳米纤维的制备
• 2.2.2.3 表面负载的Ag/PAN复合纳米纤维的制备
• 2.2.2.4 Ag/PAN复合纳米纤维膜催化活性测试方法
• 2.2.3 结果与讨论
• 2.2.3.1 纳米纤维膜的红外光谱分析
• 2.2.3.2 纳米纤维膜的形貌分析
• 2.2.3.3 纳米纤维膜的X-射线衍射分析
• 2.2.3.4 纳米纤维膜的X-射线光电子能谱分析
• 2.2.3.5 纳米纤维膜的催化性质
• 2.2.4 小结
• 2.3 表面负载Pd纳米粒子的PAN复合纳米纤维膜
• 2.3.1 实验仪器与药品
• 2.3.2 实验步骤
• 2.3.2.1 聚丙烯腈纳米纤维的制备
• 2.3.2.2 偕胺肟聚丙烯腈复合纳米纤维的制备
• 2.3.2.3 制备表面负载的Pd/PAN复合纳米纤维膜
• 2.3.2.4 Pd/PAN复合纳米纤维催化活性测试方法
• 2.3.3 结果与讨论
• 2.3.3.1 Pd/PAN复合纳米纤维的形貌表征
• 2.3.3.2 复合纤维催化Heck反应的研究
• 2.3.4 小结
• 2.4 本章总结
• 第3章 表面负载金属硫化物纳米粒子的PAN复合纳米纤维
• 3.1 MXS/PAN复合纳米纤维膜的制备及表征
• 3.1.1 实验仪器与药品
• 3.1.2 实验步骤
• 3.1.2.1 偕胺肟聚丙烯腈复合纳米纤维的制备
• xS/PAN复合纳米纤维的制备'>3.1.2.2 M_xS/PAN复合纳米纤维的制备
• xS/PAN复合纳米物的X-射线衍射分析'>3.1.3 M_xS/PAN复合纳米物的X-射线衍射分析
• 2S/PAN复合纳米物的X-射线衍射分析'>3.1.3.1 Ag₂S/PAN复合纳米物的X-射线衍射分析
• 3.1.3.2 CuS/PAN复合纳米物的X-射线衍射分析
• 3.1.3.3 PbS/PAN复合纳米物的X-射线衍射分析
• xS/PAN复合纳米纤维的形貌分析'>3.1.4 M_xS/PAN复合纳米纤维的形貌分析
• 2S/PAN复合纳米纤维的形貌分析'>3.1.4.1 Ag₂S/PAN复合纳米纤维的形貌分析
• 3.1.4.2 CuS/PAN复合纳米纤维的形貌分析
• 3.1.4.3 PbS/PAN复合纳米纤维的形貌分析
• xS/PAN复合纳米纤维的X-射线能谱分析'>3.1.5 M_xS/PAN复合纳米纤维的X-射线能谱分析
• 3.1.6 小结
• xS/PAN复合纳米纤维膜的可见光催化应用'>3.2 M_xS/PAN复合纳米纤维膜的可见光催化应用
• 3.2.1 实验仪器与药品
• 3.2.2 实验步骤
• 3.2.3 结果与讨论
• 3.2.4 小结
• 3.3 本章总结
• 2/β-CD/PAN复合纳米纤维膜的制备及光催化研究'>第4章 ZnO-SnO₂/β-CD/PAN复合纳米纤维膜的制备及光催化研究
• 4.1 β-CD接枝丙烯酸-丙烯腈共聚物的制备
• 4.1.1 实验仪器与药品
• 4.1.2 实验步骤
• 4.1.2.1 丙烯酸-丙烯腈共聚物的制备
• 4.1.2.2 β-CD接枝丙烯酸-丙烯腈聚合物的制备
• 4.1.2.3 β-CD/PAN-co-AA复合纳米纤维的制备
• 4.1.3 结果与讨论
• 4.1.3.1 β-CD/PAN-co-AA复合纳米膜的红外分析
• 4.1.3.2 β-CD/PAN-co-AA复合纳米膜的X-射线衍射分析
• 4.1.3.3 β-CD/PAN-co-AA复合纳米膜的形貌分析
• 4.1.4 小结
• 2复合纳米氧化物异质结构的制备'>4.2 ZnO-SnO₂复合纳米氧化物异质结构的制备
• 4.2.1 实验仪器与药品
• 4.2.2 实验步骤
• 4.2.3 结果与讨论
• 2复合纳米氧化物的形貌分析'>4.2.3.1 ZnO-SnO₂复合纳米氧化物的形貌分析
• 4.2.3.2 复合纳米氧化物的X-射线衍射分析
• 4.2.4 小结
• 2/β-CD/PAN-co-AA复合纳米光催化剂'>4.3 ZnO-SnO₂/β-CD/PAN-co-AA复合纳米光催化剂
• 4.3.1 实验仪器与药品
• 4.3.2 实验步骤
• 2/β-CD/PAN-co-AA纳米纤维膜的制备'>4.3.2.1 ZnO-SnO₂/β-CD/PAN-co-AA纳米纤维膜的制备
• 4.3.2.2 复合纳米纤维膜的吸附催化试验
• 4.3.3 结果与讨论
• 4.3.3.1 复合纳米纤维膜的形貌表征
• 4.3.3.2 复合纳米纤维膜的X-射线光电子能谱分析
• 4.3.3.3 复合纳米纤维膜的X-射线衍射分析
• 4.3.3.4 纳米纤维的催化研究
• 4.3.4 小结
• 4.4 本章小结
• 第5章 具有机械性能增强的pH变色纳米纤维膜
• 5.1 双喷头法制备机械性能增强的PAN纤维膜及其表征
• 5.1.1 实验仪器与药品
• 5.1.2 实验步骤
• 5.1.2.1 双喷头法制备微-纳米纤维共叠加薄膜
• 5.1.2.2 双喷头法制备取向微-纳米纤维共叠加薄膜
• 5.1.3 结果与讨论
• 5.1.3.1 微-纳米纤维共叠加薄膜的形貌表征
• 5.1.3.2 微-纳米纤维共叠加薄膜的机械性能研究
• 5.1.4 小结
• 5.2 双喷头法制备机械性能增强的pH变色纳米纤维膜
• 5.2.1 实验仪器与药品
• 5.2.2 实验步骤
• 5.2.2.1 PA-6/PAN微-纳米纤维共叠加薄膜
• 5.2.2.2 PA-6/PAN pH变色纳米纤维膜的制备
• 5.2.3 结果与讨论
• 5.2.3.1 微-纳米纤维共叠加薄膜的红外谱图
• 5.2.3.2 微-纳米纤维共叠加薄膜的形貌
• 5.2.3.3 pH变色纤维膜的变色性质
• 5.2.3.4 pH变色纤维膜的变色响应时间
• 5.2.3.5 pH变色纤维膜的机械性能
• 5.2.4 小结
• 5.3 本章小结
• 第6章 结论
• 参考文献
• 作者简介
• 攻博期间发表的论文及科研成果
• 致谢