聚乳酸基功能性超疏水材料的制备及应用研究

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近年来,超疏水材料在油水分离、防覆冰、自清洁等许多领域都展现出了广阔的应用前景。然而,大部分超疏水材料不具备生物降解性,不利于环境保护。聚乳酸(PLA)是一种环境友好材料,具有可生物降解、易加工、无毒无污染等优点。本论文以PLA为基材,通过浸涂或者原位沉积的方法制备了PLA基超疏水材料,并同时赋予其导电性、磁性、抗菌性等功能,研究其在油水分离和运动传感方面的应用。主要研究内容和结论如下:(1)以PLA为原料,去离子水为致孔剂,通过冷冻干燥的方法制备了PLA多孔材料,然后通过浸涂法在多孔材料表面包覆一层氧化石墨烯(GO),最后利用碘化氢(HI)还原GO,制备了具有导电性的超疏水还原氧化石墨烯包覆PLA(rGO@PLA)多孔材料。研究了去离子水用量和浸泡GO分散液的次数对rGO@PLA多孔材料性能的影响。研究发现,在PLA溶液中加入8 wt%的去离子水并且在GO分散液中浸泡4次时,所得到的rGO@PLA多孔材料的水接触角(WCA)达到150.6°,呈超疏水性,并且电阻仅为168Ω。此外,rGO@PLA多孔材料具有良好的耐酸碱性和耐盐性,能够吸附自身重量8-19倍的有机溶剂,油水分离效率达到96%以上,并且呈现良好的电热转换性,可应用于高粘度原油的分离与收集。(2)以多巴胺为原料在PLA无纺布表面生成一层聚多巴胺(PDA),然后将其浸泡在摩尔浓度比为2:1的六水合氯化铁(FeCl3·6H2O)和四水合氯化亚铁(FeCl2·4H2O)的混合水溶液中,随着氨水的加入,在无纺布表面原位生成四氧化三铁(Fe3O4)颗粒,最后通过浸泡聚六氟丙烯-偏氟乙烯(PVDF-HFP)溶液,制备了磁性超疏水PLA(SMPLA)无纺布。研究了FeCl3·6H2O浓度对无纺布形貌和润湿性的影响。结果表明,随着FeCl3·6H2O浓度的提高,无纺布的表面粗糙度和WCA提高。当FeCl3·6H2O浓度为150mmol/L时,无纺布达到超疏水,WCA为151.7°。SMPLA无纺布呈现良好的耐溶剂性、耐酸碱性、耐热性以及耐磨性,并具有良好的自清洁和油水分离能力,能够吸附自身重量16-36倍的有机溶剂和油,对不同溶剂的油水分离效率都保持在96.5%以上。此外,SMPLA无纺布表面的Fe3O4颗粒赋予其磁性,能够在磁场的驱动下实现对油滴的定向吸附与运输。(3)将PLA无纺布先后在单宁酸(TA)和(AgNO3)硝酸银溶液中浸泡,通过TA对AgNO3的还原作用,在无纺布表面原位生成银(Ag)颗粒构造粗糙度,然后利用-SH基团与Ag之间的配位作用,采用正十二硫醇(HS(CH2)11CH3)对无纺布进行疏水化处理,制备了导电超疏水PLA(CSPLA)无纺布。研究了还原反应时间对无纺布形貌和润湿性的影响,发现随着还原反应时间的延长,无纺布表面沉积Ag颗粒增多,粗糙度增大,WCA相应提高。当反应时间为10 h时,WCA达到150.3°,呈现超疏水性。由于银颗粒的生成,CSPLA无纺布还具有良好的抗菌性。进一步地,将CSPLA无纺布裁剪并制作成多层压阻传感器。当无纺布层数为4层时,传感器不仅灵敏度较高,而且响应速度快、稳定性高和重复使用性好,在人体运动检测领域具有良好的应用前景。
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