基于碳納米管的有機-無機雜化膜的制備及性能研究.pdf

1、碳納米管自問世以來因其卓越的性能而備受關(guān)注。將碳納米管與聚合物復(fù)合從而提高聚合物的力學(xué)、電學(xué)及其它性能，具有廣泛的研究和實際應(yīng)用前景，尤其是將碳納米管添加到高聚物中制備成膜，利用其獨特的一維管狀結(jié)構(gòu)和超疏水能力，可以提高傳統(tǒng)分離膜對復(fù)雜體系的分離效果。獲得到結(jié)構(gòu)完整，性能優(yōu)良的碳納米管/聚合物分離膜，首先需要提高碳納米管在聚合物基體中的分散性。通過對碳納米管改性接枝活性基團，提高界面相容性可使整個體系保持穩(wěn)定，發(fā)揮混合雜化膜中碳納米管的

2、獨特性能。 本論文針對上述目標(biāo)，采用不同功能化方法提高原始碳納米管的純度、穩(wěn)定性和分散性，然后將功能化的碳納米管與幾種聚合物材料分別進行復(fù)合，分別制備超濾、反滲透和滲透汽化膜，研究添加碳納米管后膜分離性能的變化。主要包括以下四個方面的內(nèi)容：
　　 (1)原始多壁碳納米管（multi-walled carbon nanotube）的純化及表面功能化。首先采用在硫酸/硝酸組成的混酸中超聲處理以純化碳納米管。針對不同聚合物的結(jié)構(gòu)特點采

3、用兩種不同的方法對純化碳納米管進行功能化以提高成膜后的性能：一是利用5-異氰酸酯-異酞酰氯(5-isocyanato-isophthaloyl chloride，ICIC)與碳納米管反應(yīng)實現(xiàn)多壁碳納米管表面酰氯化；二是利用丁二酸酐過氧化物（diisobutyryl peroxide）與碳納米管反應(yīng)實現(xiàn)碳納米管表面的羧酸化。通過功能化改性后，極大的提高了多壁碳納米管在水中和各種有機溶劑中的分散性，也顯著提高其在各種聚合物基質(zhì)中的分散能力和

4、界面相容性。
　　 (2)碳納米管/聚砜超濾雜化膜的制備及性能研究。將表面酰氯化的碳納米管與聚砜基質(zhì)共混，采用相轉(zhuǎn)化的方法制備得到表面孔徑約為30nm的超濾膜。通過掃描電鏡(SEM)和透射電鏡(TEM)觀察膜表面和截面結(jié)構(gòu)；采用元素分析(XPS)，紅外光譜(IR)及接觸角對膜表面的化學(xué)成分和親疏水性分析。以純水和聚乙二醇（PEG，分子量20000）為原料液分別測試超濾膜的通量和截留性能，結(jié)果表明，碳納米管的加入改善了膜的微結(jié)構(gòu)并

5、提高了膜表面的親水性，純水通量由原來的40L/m2·h上升到180L/m2·h，分離性能得到顯著增強。另外，通過對BSA蛋白質(zhì)分子的靜態(tài)吸附實驗，證明加入碳納米管的聚砜超濾膜可以有效降低蛋白質(zhì)引起的膜污染。
　　 (3)碳納米管/殼聚糖滲透汽化復(fù)合膜的制備及性能研究。將表面羧酸化的碳納米管與殼聚糖共混制備得到表面致密的滲透汽化復(fù)合膜。通過SEM和TEM觀察到膜的形貌以及碳納米管在殼聚糖中的分散狀況；通過紅外光譜和X射線衍射(XR

6、D)比較了混有碳納米管的殼聚糖復(fù)合膜和純殼聚糖復(fù)合膜結(jié)構(gòu)的差異。通過膜在乙醇和水中的溶脹實驗，考察了膜中碳納米管含量對乙醇和水在膜中溶解系數(shù)和擴散系數(shù)的影響，與Fick定律推導(dǎo)出的理論擴散系數(shù)進行比較，證實膜中的碳納米管更有利于提高水分子的擴散速率。最后將膜應(yīng)用與滲透汽化實驗中，考察料液溫度和碳納米管含量對分離性能的影響，結(jié)果表明，含碳納米管的混合膜可以降低分子穿透膜的活化能，從而大幅度地提高水通量和膜的總通量及其他分離性能。
　

7、　 (4)碳納米管/聚酰胺反滲透復(fù)合膜的制備及性能研究。首先考察界面聚合反應(yīng)條件對以間苯二胺(MPD)和均苯三甲酰氯(TMC)為單體的反滲透復(fù)合膜性能的影響，并經(jīng)過單因素和正交實驗優(yōu)化膜制備條件。研究了向水相中添加相轉(zhuǎn)移催化劑和小分子醇類后對反滲透復(fù)合膜性能的影響，合理的解釋了相轉(zhuǎn)移催化劑和小分子醇作為水相添加劑能提高復(fù)合膜通量的原因。隨后，將羧酸化的碳納米管分散到MPD水溶液中制備得到碳納米管/聚酰胺反滲透復(fù)合膜。SEM、TEM的表

8、征結(jié)果證明：加入碳納米管后膜表面比純聚酰胺膜粗糙，而且加入碳納米管后由于微相分離會造成膜的分離層出現(xiàn)微小的空隙，降低了膜表面的致密程度。另外，碳納米管/聚酰胺復(fù)合膜的表面更親水，表面的電負性也大于純的聚酰胺復(fù)合膜。與純聚酰胺復(fù)合膜分離性能相比，碳納米管/聚酰胺反滲透復(fù)合膜對純水和鹽溶液的滲透通量增加近一倍，同時，膜抗污染性和耐氧化性也得到了一定的提高，對活性氯的耐受力提高到3000ppm·h。
　　 綜上所述，本論文所制備的含碳