蒙脱土/聚丙烯腈微纳纤维制备及吸附金属离子研究

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蒙脱土(MMT)是一种层状天然矿物黏土,硅铝酸盐的片层结构赋予其热稳定性、高吸附性、耐水性、离子交换性等。而将蒙脱土作为吸附材料应用时容易出现团聚、固-液难分离、重复使用性差等问题。因此,如何解决蒙脱土吸附材料难回收,并提高其吸附效率是高效利用天然粘土材料的研究方向。蚕结茧吐丝形成多级结构和高性能的茧丝纤维是一种高效、便捷的纤维制备方式,高压静电纺丝是基于蚕茧丝腺成丝的仿生原理技术。利用纺丝技术制备有机或无机的复合掺杂纤维,能够有效解决上述吸附材料难分离、易分散等问题。近年来,人们利用插层、机械振荡等方式剥离、分散MMT片层,并将其与聚合物复合制备高强度、高模量、高耐热性及高阻隔性的蒙脱土/聚合物纳米复合材料,广泛应用在吸附、阻燃、材料增强等领域。而关于解决MMT与聚合物之间的相容性问题,利用纤维的高比表面积,高孔隙率特性协同MMT的吸附性能,制备出易回收、高效吸附性的MMT纤维的研究甚少。如何进一步分析MMT纤维的成型、力学、热稳定性、吸附性能与结构关系,是提升天然粘土吸附材料应用耐久性和吸附效率的关键。本课题以聚丙烯腈(PAN)为基体与改性蒙脱土复合,通过静电纺丝制备蒙脱土复合纤维。实验首先优化聚丙烯腈及混纺纤维的纺丝制备工艺和性能其次将蒙脱土进行有机化改性,添加到PAN中制备出一系列的蒙脱土/聚丙烯腈(MMT/PAN)微纳米纤维。主要研究结果如下:1.聚丙烯腈基复合纤维能够通过氢键等分子间作用与聚乙二醇复合,复合纤维成型规整、粗细均匀,两者相容性良好,复合纤维材料未出现界面分离现象。2.有机蒙脱土与PAN之间界面相容性较好,纤维成型规整、均匀。MMT增加,纤维的热稳性被提升。同时MMT能够改善聚丙烯腈基纤维的力学性能,当PAN:MMT=10:4(质量比)时,纤维的断裂应力达30.4 MPa,断裂伸长率为17%左右,断裂强度提升近1.5倍。3.当PAN:MMT=10:4时,PAN/MMT纤维的孔径集中分布在0.875~1.500 μm,纤维之间形成的孔径尺寸小、分布集中。MMT/PAN纤维膜的滤效在99%以上,透气和透水性能较佳。在溶液PH为6、30℃、吸附2 h条件下,纤维对Cr6+吸附能力和去除率都达到最大值分别为22.3 mg/g、14.5%。说明蒙脱土的离子交换和纤维的高孔隙率、高比面积的特性共同提升了纤维的吸附效果。
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