凹凸棒土纳米纤维膜的制备及结构与性能

凹凸棒土纳米纤维膜的制备及结构与性能具有孔隙互通结构和可控孔尺寸等特点的纳米纤维膜 ,在膜分离领域中表现出良好的应用潜力。目前 ,关于纳米纤维膜方面的研究主要是采用静电纺丝技术制备有机基纳米纤维膜。然而,有机基纳米纤维膜普遍存在机械强度低、热稳定性和化学稳定性差、抗污能力弱、使用寿命有限等问题。相对而言 ,以无机材料为基质的纳米纤维膜则可有效避免上述缺陷。然而,由于存在制备技术难度大、可选择原料少等问题,当前关于无机基纳米纤维膜的研究并不多。本论文选取天然粘土—凹凸棒土（ AT）纳米纤维为原料,提出了一种类造纸术的工艺 ,成功设计并制备出四类 AT纳米纤维膜。系统研究了聚乙烯醇（PVA）含量、烧结温度和碳纳米管（ CNT）含量对AT纳米纤维膜的微观形貌、晶体结构、孔结构、表面性质、机械性能、热稳定性、化学稳定性的影响,以及AT纳米纤维膜在截留目标污染物所表现出来的渗透性能、分离性能、抗污性能以及重复使用性能。全文的主要内容如下 :（1）基于AT的一维特性,采用具备制浆、抄纸和低温干燥等过程的类造纸术制备出一系列不同PVA含量的AT基纳米纤维膜。利用流变学方法研究了 PVA含量对AT水质胶体流变性能的影响。结果表明,AT水质胶体是一种具有屈服应力点的假塑性非牛顿流体。随着PVA含量的增加,AT水质胶体的屈服应力点和体系粘性均得到了显著的提高,表明适量PVA调节的AT水质胶体具备成膜能力;利用场发射扫描电镜（FESEM）、傅里叶红外光谱（FTIR）、X射线衍射光谱（XRD）、力学拉伸实验等表征了AT基纳米纤维膜的形貌结构及机械性能。 研究发现,PVA均匀分散于由AT纳米纤维构建的“柴垛堆”结构中 ,相互缠结并产生氢键作用。当PVA含量为9wt%时,AT基纳米纤维膜具有高的孔隙率（51.1%）,最大的力学拉伸强度（12.5MPa）,良好的亲水性（31.3°）和高的渗水能力(105Lm^-2h^-1,0.1MPa)。以具有不同相对分子量的聚乙二醇和聚环氧乙烷为研究对象,计算出AT基纳米纤维膜的截留分子量约为50kDa。采用错流分离装置评价了AT基纳米纤维膜的分离性能。结果表明,其可有效分离粒径约为100nm的乳化油（0.1MPa,99.4%）。（2）结合类造纸术和烧结技术制备出一系列不同PVA含量下的烧结AT基纳米纤维膜。利用热重（TG）分析探究了AT基纳米纤维膜的烧结温度。结果表明,AT基纳米纤维膜的失重变化呈现出阶段性 ,继而确立了三种烧结温度,分别为240℃、400℃和600℃。利用FESEM、XRD、BET表征了烧结温度对AT基纳米纤维膜的微观形貌和孔结构的影响。结果表明,当烧结温度为600℃时,AT纳米纤维的晶体结构发生折叠 ,膜的比表面积显著下降。利用三点弯曲实验研究了烧结温度对 AT基纳米纤维膜机械性能的影响。结果表明,随着烧结温度的增加,具有自支撑能力的烧结 AT基纳米纤维膜的抗弯强度表现出较小幅度的下降。利用吸水性实验研究了不同烧结温度处理后的AT基纳米纤维膜溶胀性。结果表明,当烧结温度达到400℃及以上时,AT基纳米纤维膜的溶胀行为得到有效抑制。优选 400℃作为烧结温度,利用FESEM、BET、接触角测试、三点弯曲实验和化学稳定性实验等表征了不同 PVA含量下的烧结AT基纳米纤维膜。研究发现,随着PVA含量的增加,AT纳米纤维的堆积形态呈现出由无序向有序的转变,而烧结AT基纳米纤维膜的抗弯强度则有所下降。此外 ,研究还发现,不同PVA含量下的烧结AT基纳米纤维膜均具有介孔结构（ ¹2nm）,较高的孔隙率（>60%）,良好的润湿能力（²2°）以及良好的化学稳定性（适用pH范围为1¹0）;利用油/水分离实验综合评价了烧结AT基纳米纤维膜的分离性能。结果表明,烧结AT基纳米纤维膜对乳化油的分离效率最高可达 97.4%,能够承受至少0.6MPa的操作压力,并表现出良好的抗污能力。（3）以羧基化多壁碳纳米管增强AT基纳米纤维膜中“柴垛堆”结构的方式,采用类造纸术制备出一系列不同CNT含量下的AT基纳米纤维膜（AT/CNT纳米纤维膜）。利用FESEM、BET、力学拉伸实验等研究了 CNT含量对AT基纳米纤维膜结构和性能的影响。研究发现,CNT均匀分散于AT基纳米纤维膜的“柴垛堆”结构中,“软”的CNT与“硬”的AT纳米纤维相互缠结,再与PVA分子链发生二次缠结并产生氢键作用。当CNT含量为0.5wt%时,CNT对AT基纳米纤维膜机械性能改善的贡献程度达到最大,其拉伸强度,杨氏模量和韧度,相对于AT基纳米纤维膜,分别增长了74%,27%和110%。利用接触角测试、原子力显微镜（ AFM）等研究了AT/CNT纳米纤维膜的表面性质。结果表明,随着CNT含量的增加,AT/CNT纳米纤维膜的表面润湿能力有所降低,而其表面粗糙度则呈现出逐渐增大的趋势。利用循环分离实验装置,以乳化油和牛血清蛋白为实验对象,综合评价了AT/CNT纳米纤维膜（CNT-0.5）的分离性能、抗污性能和重复使用性能。结果表明,AT/CNT纳米纤维膜始终保持着超高的分离效率¹00%）,良好的水通量恢复率（⁹8%）和较低的不可逆污染率（²%）。（4）优选PVA含量、CNT掺入量和烧结温度,结合类造纸术和烧结技术,制备出烧结AT/CNT纳米纤维膜。利用FESEM、BET、接触角测试和三点弯曲实验等研究了烧结前后AT/CNT纳米纤维膜结构与性能的变化。结果表明,烧结过程主要提高了AT/CNT纳米纤维膜的比表面积(120.1m²g^-1)、累计孔体积(0.37cm³g^-1)、润湿性（14.8°）和抗弯强度（11.1MPa）。利用循环分离实验装置,以油/水乳液为实验对象,综合评价了烧结 AT/CNT纳米纤维膜的渗透性能、分离性能和抗