静电纺聚合物/β-CD基功能纤维膜的力学行为及应用研究

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功能性过滤材料是针对一些特定环境,如耐高温、耐腐蚀、抗静电、疏水、拒油、阻燃、清除有害物质等而开发的过滤媒体。某些具有特定功能的滤膜能够满足不同行业、领域的设计需求。静电纺丝设备简单,容易根据特定需求搭建,产量相对于其他制备纳米材料的方法要大很多,是一种制备高性能多功能复合材料的简单有效的方法,市场上已经很多有静电纺丝商品出现。环糊精由亲水性外腔和疏水性内腔构成,不但能与金属离子进行螯合作用,还能与有机物、无机分子形成非共价键的主-客体包合物。此外,基于环糊精的静电纺丝纳米纤维在处理污染物上可发挥作用。通过静电纺丝技术制备的一维连续纳米纤维膜因其制备过程简单和高效而受关注。然而静电纺纳米纤维膜的力学性能不好,不能满足吸附材料的力学性能要求,严重影响了其使用领域。鉴于以上问题,通过优化静电纺纳米纤维膜纺丝工艺,将β-环糊精与有机、无机纳米材料结合起来,使用合适的交联剂,制备了三种修饰了环糊精的复合纳米材料,并研究了其性质和应用。具体内容如下:(1)将β-环糊精(β-CD)与聚丙烯酸(PAA)通过静电纺丝的方法制备而得的纳米纤维进一步再进行热交联处理,形成的特殊的交联三维立体网状结构导致网络中的纤维搭接面积增加并成为一体,最终得到力学性能得以改善的非水溶性的复合纳米纤维材料(PAA-CD)。对比交联前后的静电纺PAA-CD纤维膜强度,纤维膜拉伸强度和断裂伸长率分别增加了 2.4倍和1.2倍,从而大大拓展了制得的复合纤维膜的应用范围。(2)在静电纺PAA-CD纤维膜的基础上,采用“一锅法”将纳米银颗粒负载到氧化石墨烯片(AGCN)上,利用静电纺丝和热交联方法制备了具有抗菌性能的PAA-CD/AGCN纤维膜。实验选取了具有代表性的大肠杆菌和金黄色葡萄球菌探究其抗菌性,通过抑菌圈法评价抗菌性能,结论显示静电纺PAA-CD/AGCN纤维膜具有良好的抗菌效果。当AGCN含量增加,纤维膜对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌性能提高。(3)为了进一步提高纳米纤维膜的力学性能,将静电纺PAA-CD纤维膜上下添加两层力学强度高的PA66纳米纤维膜,构成了更加稳定、强度更高的静电纺PA66/PAA-CD/PA66三明治纤维膜。对比单层PAA-CD纤维膜和PA66/PAA-CD/PA66三明治纤维膜,三明治结构显著提高了纤维膜的拉伸强度并增加了纤维膜的韧性。此外,实验中以吸附重金属离子Cu2+、Fe3+、Ni2+来探究此材料的吸附性能,通过EDS表征证明三明治纤维膜对重金属离子有良好的离子配合能力。证实了环糊精修饰的静电纺PA66/PAA-CD/PA66三明治纤维膜在水污染方面的应用。(4)以静电纺纤维膜为原型,使用ANSYS FLUENT软件建立多孔介质模型并对其过滤过程进行计算机数值模拟。通过利用数值模拟方法预测滤膜前后压降差,分析入口流速和膜厚对过滤效率和过滤品质的影响。这对纳米纤维过滤材料的生产和应用具有指导意义。
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