聚氨酯基吸附功能纤维的研究

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铅是对人体有严重危害的五种重金属之一。研究高性能的吸附剂将其从环境中分离去除,具有重要意义。本论文以聚氨酯为原料,采用湿法纺丝技术和静电纺丝技术,分别制备植酸改性聚氨酯纤维、壳聚糖改性聚氨酯纤维和铅离子印迹聚氨酯纤维,考察了所制备纤维材料对铅离子的吸附性能和特异选择性。本论文主要完成了以下几方面的工作:(1)植酸改性聚氨酯湿纺纤维的制备及铅离子吸附研究制备一定浓度的聚氨酯溶液,向其中添加植酸作为改性剂,以此为纺丝液,在凝固浴中湿法纺丝制得植酸/PU纤维;探索了凝固浴、纺丝液浓度、植酸添加量对纤维成形性的影响;单因素分析法研究了纤维吸附Pb2+的影响因素。结果表明:以20%DMF水溶液为凝固浴,植酸与PU质量比为5:7时,所得改性纤维对Pb2+的吸附能力较强;在溶液pH值为6.0,温度为20℃的条件下,吸附9h,纤维可达到饱和吸附容量73.25mg/g。(2)植酸改性聚氨酯电纺纤维的制备及铅离子吸附研究以添加了植酸的改性聚氨酯溶液为纺丝液,采用静电纺丝技术,制得植酸/PU纳米纤维。SEM分析不同工艺下纤维的形貌,确定了最佳纺丝条件为:植酸与PU质量比为5:7,纺丝电压23kV,接收距离18cm,流量0.1ml/h,所得纤维平均直径为206nm。动态接触角结果表明,改性后纤维的亲水性得以提高。以上述所制得的纤维膜为吸附剂,用EDTA滴定法测定吸附前后铅离子浓度变化,从而探讨纤维膜的吸附性能。结果表明:植酸改性PU纤维膜对Pb2+的吸附是放热过程,吸附容量随温度的升高而降低;在PH为6.0,温度20℃的条件下,吸附5h基本达到饱和吸附容量136.36mg/g,高于湿纺纤维73.25mg/g。(3)AA接枝聚氨酯湿纺纤维的制备将CTS粉末溶解于PU溶液中,以此为纺丝液,湿法纺丝制得PU/CTS湿纺纤维;以PU/CTS湿纺纤维为基体,MDI对其进行表面活化、水解,纤维表面带有氨基;氨基与过硫酸钾组成氧化-还原体系作为引发剂,引发AA接枝在纤维表面;探索接枝AA的最优条件。红外光谱分析表明AA成功接枝到纤维表面;动态接触角表明接枝AA后纤维亲水性明显提高;热失重分析表明接枝后纤维的热稳定性增强。制备过程中材料的最佳配比为:PU纤维与CTS质量比为3:5混纺,接枝温度40℃,按照AA与活化纤维质量比10:1进行接枝反应,当过硫酸钾量为丙烯酸的1.4%时,可获得最大接枝率59.10%。(4)Pb2+印迹聚氨酯湿纺纤维的制备及与Pb2+的相互作用研究以接枝AA纤维为原料,EDC和NHS表面改性后进行壳聚糖修饰;结合分子印迹技术,以铅离子为模板、环氧氯丙烷为交联剂,制得铅离子印迹改性聚氨酯纤维,研究其对铅离子的吸附性能。用EDTA滴定法测定吸附前后铅离子浓度变化,从而探讨纤维膜的吸附性能。结果表明:在温度为20℃、pH为6.0~7.0的条件下,36h可达到铅离子吸附饱和,印迹纤维的饱和吸附容量为75.1mg/g。原子吸收法表明,印迹纤维对铅离子具有较强的特异性识别能力,Pb2+对Cu2+、Cd2+的相对选择系数分别为2.72、6.06。(5)AA接枝聚氨酯电纺纤维的制备以N,N-二甲基甲酰胺和四氢呋喃的混合溶液(质量比为1:1)为溶剂,配制聚氨酯溶液为纺丝液,采用静电纺丝技术制备聚氨酯纳米纤维。扫描电镜分析不同条件下纤维的形貌,确定了最佳纺丝条件为:纺丝液浓度为6%,纺丝电压23kV,接收距离18cm,流量0.1ml/h,平均直径为507nm。以PU电纺纤维膜为基体,用MDI对其进行表面活化、水解,加入过硫酸钾,利用过硫酸钾与纤维表面氨基形成氧化-还原引发体系,引发AA在纤维表面接枝,探索最优接枝条件。扫描电镜、红外分析结果表明,AA成功接枝到纤维表面;动态接触角结果表明接枝后纤维的亲水性提高。在接枝温度为40℃、AA与活化纤维质量比11:1的条件下,过硫酸钾的量为AA的1.3%时,可获得最大接枝率57.85%。这个结果低于湿纺纤维的接枝率59.10%。(6)Pb2+印迹聚氨酯电纺纤维的制备及与Pb2+的相互作用研究在接枝AA的基础上,EDC和NHS对其表面改性后进行壳聚糖修饰;结合分子印迹技术,以铅离子为模板、环氧氯丙烷为交联剂,制得铅离子印迹聚氨酯电纺纤维,探索印迹膜对Pb2+的吸附作用。结果表明,在温度为20℃、pH为6.0~7.0的条件下,3h基本可达到铅离子吸附饱和,饱和吸附容量为103.8mg/h,高于印迹湿纺纤维75.1mg/g。将印迹和非印迹纳米纤维膜进行离子干扰吸附,原子吸收法测试其吸附选择性。结果显示,印迹纳米纤维对Pb2+良好的特异选择能力,Pb2+对Cu2+、Cd2+的相对选择系数分别为5.04、3.91。
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