| 一维纳米材料增强PVA基复合膜的制备及性能研究 | |
黄大建
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| Subtype | 理学博士 |
| Thesis Advisor | 王爱勤 |
| 2012-11-27 | |
| Degree Grantor | 中国科学院研究生院 |
| Department | 环境材料与生态化学研究发展中心 |
| Degree Discipline | 物理化学 |
| Keyword | 聚乙烯醇 壳聚糖 凹凸棒黏土 纳米复合膜 碳纳米材料 Poly(Vinyl Alcohol) Chitosan Attapulgite Nanocomposite Film Carbon Nanomaterials |
| Abstract | 聚乙烯醇(Polyvinyl alcohol，简称PVA)是水溶性高分子聚合物，用其制备的膜被认为是最有前景的环境友好型薄膜材料，但高亲水性又限制了PVA膜在很多领域中的应用。近年来，聚合物/无机粒子纳米复合材料的研究十分活跃，但主要集中在二维纳米填充材料，对一维纳米材料关注相对较少。天然的一维无机纳米材料具有来源广泛、成本低、性能优和易于规模化生产等优势，在有机-无机纳米复合材料领域显示出极大的应用前景，开展相关研究在理论和应用方面均具有重要的意义。为此，本论文利用一维纳米材料对PVA基膜进行增强改性，并与二维纳米材料进行了对比研究，其主要研究结果如下： （1）将壳聚糖（Chitosan，简称为CS）与PVA通过溶液共混的方法制备了一系列复合膜。SEM结果表明，PVA/CS质量比7/3时复合膜具有较好的相容性。同时CS的引入在保持良好光学性能的情况下可以显著提高复合膜拉伸强度和耐水性能。甘油的引入可以增加复合膜的柔韧性，在添加量为高分子总质量的10%时达到最佳的机械性能。 （2）引入凹凸棒黏土（Attapulgite，简称为APT）、埃洛石（Halloysite，简称为HT）和海泡石（Sepiolite，简称为SP）均可显著提高PVA/CS复合膜的性能。通过形貌与结构表征发现，一维纳米材料在高分子基体中分散较为均匀，与PVA/CS聚合物基体结合紧密，但一维纳米材料添加量过多会引起部分一维纳米材料的团聚。性能测试表明，三种一维纳米材料的引入不仅可提高PVA/CS复合膜的机械性能，而且还显著改善了复合膜的耐水性能。主要原因是，一方面黏土表面的硅羟基可与PVA/CS形成物理交联点，进而阻止水蒸气向膜内部扩散；另一方面黏土与水的结合能力低于PVA/CS，这降低了复合膜对水蒸气的吸附，从而可以有效提高复合膜的耐水性。三种一维纳米材料的引入几乎不影响PVA/CS的透光性。由于无机黏土的存在延缓了PVA/CS的热分解过程，从而可以提高复合膜的耐热性能。在相同添加量下，其拉伸强度增强的顺序为APT>SP>HT，耐水性能提高的顺序为APT>HT>SP。 （3）利用改性APT与PVA/CS 或者PVA通过流延成膜得到改性APT/PVA基纳米复合膜。分别研究了不同压力处理、不同对辊次数处理、不同冷冻时间处理、不同酸处理APT/PVA/CS纳米复合膜以及不同溶剂处理、含氟表面活性剂处理、不同醇水比处理、不同MMT比例共混处理APT/PVA复合膜，并测试了复合膜的力学性能与耐水性能。与原APT相比，改性处理后的APT能更显著地提高复合膜的性能，而复合膜的最优性能与改性方式和添加量密切相关。在相同添加量下，采用压强为50MPa均质处理APT其拉伸强度最大，而含氟表面活性剂处理APT其耐水性最好。 （4）将二维的蒙脱石（Montmorillonite，简称为MMT）和累托石（Rectorite，简称为REC）分别与PVA/CS通过溶液流延成膜方法得到改性纳米复合膜。改性后复合膜的各种性能相对于PVA/CS复合膜都有一定程度的提高。加入MMT、REC后复合膜的机械强度明显提高，同时水蒸气透过率都有一定的程度的降低。在添加3%MMT基础上再引入1~5%APT进行协同增强时，复合膜的拉伸强度较MMT和APT复合膜都有明显的提升。在APT含量小于2%时，PVA/CS/MMT/APT纳米复合膜的透水率较PVA/CS/MMT膜有所降低。 （5）制备了PVA/CS/碳纳米管（Multiwalled carbon nanotubes，简称为MWNTs）、PVA/CS/氧化石墨烯（Graphene oxide，简称为GO）、PVA/淀粉（Starch，简称为ST）/GO纳米复合膜，并系统研究了复合膜的机械性能、耐水性、光学等性能，考察碳纳米材料维数对纳米复合膜性能的影响。结果表明，CS可以明显提高MWNTs在复合膜中的分散度，从而对复合膜的机械性能有明显的增强；同样GO可以在高分子基体中形成纳米级的分散，对两种高分子复合膜都有良好的增强效果。然而，碳纳米材料的引入对PVA/CS的透光性有一定的影响，但低添加量时对光学性能影响不大。 |
| Funding Project | 功能复合材料组 |
| Document Type | 学位论文 |
| Identifier | http://ir.licp.cn/handle/362003/2879 |
| Collection | 环境材料与生态化学研究发展中心 |
| Recommended Citation GB/T 7714 | 黄大建. 一维纳米材料增强PVA基复合膜的制备及性能研究[D]. 中国科学院研究生院,2012. |
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| 201286黄大建.pdf（6149KB） | 开放获取 | CC BY-NC-SA | View Application Full Text | |||
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