SiO2气凝胶复合膜的制备及其性能研究

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挥发性有机化合物(VOCs)由于具有易挥发有毒的特性,对人体健康及环境有很大的危害。目前,采用静电纺丝技术制备得到的纳米纤维膜由于制备简单、易成型、直径小及相互连通的孔结构,已被广泛的应用于VOCs的吸附,引起了越来越多研究者的注意。其中以非碳基材料为原料制备得到的静电纺非碳基纳米纤维膜由于具有易再生性和良好的吸附性能,是一种很有前景的吸附材料。但是大多数非碳基纳米纤维膜比表面积仅在十几左右,而高的比表面积是为有害物质的吸附提供更多活性位点的关键。因此制备具有高比表面积的非碳基纳米纤维膜在VOCs的处理方面是非常有必要的。SiO2气凝胶是一种具有高比表面积的多孔材料,因其多孔特性,在VOCs的吸附方面也具有很大的应用潜力。目前,其常见的形式有块状、粉末状及气凝胶复合毡,但是块状气凝胶易脆易碎,需要较为严格的工艺条件,粉末状气凝胶则极易扩散到空气中,会对人体健康造成危害,而气凝胶复合毡的粉尘释放也会对人体及环境造成不良的影响。因此,寻找一种新的气凝胶的存在形式是一个值得研究的课题,这对控制生产成本和扩大应用是非常有必要的。基于以上问题,在本文中,我们主要通过静电纺丝技术,以亲水性SiO2气凝胶(SA)和疏水性SiO2气凝胶(MSA-4h)为功能性组分,PAN为载体,首次制备出两种具有不同亲疏水性的带有高比表面积的SiO2气凝胶/PAN柔性复合纳米纤维膜,并主要研究了两种复合膜的VOCs吸附性能。首先,我们通过探究制备过程中的工艺参数,制备得到了具有不同SA含量的SiO2气凝胶复合纳米纤维膜。微观形貌显示具有蜂窝状多孔结构的SiO2气凝胶聚集在PAN纤维的表面上,极大的提高了纤维膜的比表面积,高的比表面积在提升复合纳米纤维膜的VOCs吸附能力方面有着关键的作用。在所有的复合膜中,SA含量为100%(基于PAN)的SiO2气凝胶复合纤维膜PAN+SA 100%具有最大的VOCs吸附量,几乎是纯PAN膜吸附量的2.4-5.3倍(对于四种VOCs,分别为甲酸、氯仿、甲醇和二甲苯),甚至高于活性炭(AC),且不同膜对不同类型的VOCs的吸附量均呈现氯仿>甲酸>甲醇>二甲苯的顺序。而且在经过10次的吸附脱附循环之后,PAN+SA 100%纤维膜对VOCs的吸附能力仍未下降,证实了复合纳米纤维膜良好的可再生性。其次,我们利用浓度为10%的六甲基二硅氮烷改性液对SA进行了 4h的疏水改性,成功的将SA制备成接触角为144.4°的具有良好疏水性的气凝胶MSA-4h,但是改性后,气凝胶的比表面积由815.38 m2/g下降到564.36m2/g。最后,按照同样的工艺流程,我们制备得到MSA-4h含量为71.4%(基于PAN)的疏水性SiO2气凝胶复合纳米纤维膜PAN+MSA 71.4%,该膜的形貌、比表面积和孔结构与SA含量为71.4%(基于PAN)的SiO2气凝胶复合膜PAN+SA71.4%的无太大差异。且值得注意的是,MSA-4h和PAN+MSA 71.4%复合膜之间的比表面积和孔结构的变化程度比SA和PAN+SA 71.4%的小,也就是说对SiO2气凝胶的疏水改性在某种程度上可以降低PAN聚合物以及溶剂对其孔结构的影响。另外,吸附结果显示,PAN+MSA 71.4%复合纳米纤维膜对VOCs同样具有良好的吸附能力,除了甲酸之外,其对于剩余三种VOCs的吸附量均高于PAN+SA 71.4%,且对不同类型的VOCs的吸附量呈现氯仿>甲醇>甲酸>二甲苯的顺序。在本文中我们成功的将纳米纤维和气凝胶通过静电纺丝技术结合,制备成了一种膜状材料,膜状的形式有利于吸附材料在实践中的应用,而且也可以有效的解决气凝胶复合物常见的“掉粉”问题。同时该复合材料的制备还丰富了 VOCs吸附材料的种类,也为气凝胶提供了一种新的复合方式。
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