静电纺纳米纤维膜的透明化及酒精检测研究

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静电纺纳米纤维膜因其设计灵活、结构可控、具有高比表面积及孔隙率等优点,已经广泛应用于光电器件、组织工程支架、创口敷料、过滤与吸附等多个领域。然而静电纺纳米纤维膜内部存在大量的空气-纤维界面以及粗糙的表面,形成大量的光散射位点,这些位点使得可见光在空气-纤维界面处发生多级反射,增加了入射光线的光程,使大部分入射光会被纤维吸收,或者沿着各个方向散射而损失,因而其多具有不透明性,这限制了纤维膜材料的应用。因此,通过材料优选与结构调控进行静电纺纳米纤维膜的透明化研究,赋予纤维膜优良的使用性能及应用便利性,能够进一步拓展其工业化应用,实现产品性能的升级,获得可视化纤维膜材料。本文通过原液组成及结构设计调控复合纤维膜的折射指数,构建了具有优异透光响应的纤维界面,实现了对于酒精的特异性识别。进一步研究了复合纤维膜中的光传播机理及响应行为,为可视化酒精识别的应用奠定了理论基础及技术保障。本文系统地完成了以下三个部分工作:1、本章利用静电纺丝技术,将一系列不同浓度的低折射指数聚合物聚偏氟乙烯(PVDF),沉积于静电纺聚乳酸(PLA)纤维膜的表面,成功制备了PLA/PVDF层级纤维膜材料。通过扫描电子显微镜、红外光谱、X射线衍射等表征手段,研究了不同浓度的静电纺PVDF从微球演化至纤维的过程,明晰了其形貌的变化对于层级纤维膜可见光散射行为的影响规律。通过酒精的浸润,PLA/PVDF纤维膜中高折射率差的空气-纤维界面被低折射率差的酒精-纤维界面取代,改善了界面的光损失,提高了纤维膜的透光率至T=91%。该层级纤维膜的构建为基于透光响应的酒精试纸提供了可行性,为酒精的裸眼识别提供了新思路。2、由于聚乳酸和酒精的折射指数差较大,纤维膜的厚度受到限制,其力学性能需要进一步增强。因此,在上述工作的基础上,本章通过侧基工程策略,引入富氟低聚物全氟癸基三乙氧基硅烷(FAS-17)改性聚乙烯醇(PVA)基体,通过可控电纺成功制备了PVA@FAS-17复合纤维,并沉积于聚偏氟乙烯六氟丙烯(PVDF-HFP)纤维的表面,获得PVDF-HFP/PVA@FAS-17层级纤维膜。通过扫描电子显微镜、原子力显微镜、透射电子显微镜、X射线光电子能谱、红外光谱等研究了复合纤维膜的表面形貌及结构组成,结果表明氟化硅烷首先发生水解反应产生高化学活性的硅羟基,与PVA的羟基反应后获得含氟侧基,降低了纺丝体系的折射指数。该纤维膜经过酒精处理后,透光率达到T=84%。此外,该纤维膜还可以监测酒精蒸汽和水中的微量酒精,并且经酒精漂洗、砂纸磨损、超声波清洗多个循环后也能保证酒精检测的稳定性。3、为了进一步实现酒精含量的定量测定,我们通过蒸发诱导共组装与静电纺丝技术相结合的方法,设计开发了一种具有智能响应能力的透明光子晶体膜。本章选用聚丙烯腈(PAN)为核层,聚乙烯醇@葡萄糖(PVA@GLU)为壳层,利用静电纺丝技术制备了PAN/PVA@GLU核壳纤维膜材料,随后用纤维素纳米晶/聚乙烯醇/葡萄糖(CNC/PVA/GLU)悬浮液浸渍该纤维膜材料,通过蒸发诱导共组装成功制备了透明的光子薄膜。通过扫描电子显微镜、透射电子显微镜、偏光显微镜等手段,研究了核壳纳米纤维形貌和透明光子膜的结构。结果表明,透明光子薄膜可以对相对湿度的循环变化做出响应,即其结构色表现出从黄绿色光到无色的可逆变化。此外,通过选择不同极性的酒精与水的混合溶剂浸泡该薄膜,根据处理后薄膜材料的结构色变化,实现酒精的定量检测。
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