金属-有机框架材料Cu-BTC的制备及其在功能涤纶纤维开发中的应用

来源 :浙江理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:SANDWICHSZHANG
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随着科学技术的发展和人民生活水平的提高,功能纺织品成为纺织品的发展方向和趋势,开发新型功能纺织品是当今纺织科技的热门课题之一。据国内外研究发现,金属有机框架材料(MOFs)具有丰富的纳米孔结构和高比表面积特性,因而在吸附、分离、催化等领域具有良好的应用,将金属有机框架材料应用于纺织品领域,在开发新型功能纺织品方面具有十分广阔的应用前景。为此,本论文采用水热合成法制备铜金属有机框架材料Cu-BTC,研究了表面活性剂对Cu-BTC粒径的影响;采用水热生长法和循环浸渍法在碱减量涤纶纤维表面原位生长Cu-BTC,制备Cu-BTC/涤纶纤维复合材料,实现对涤纶织物的新型功能开发。具体研究内容和结果如下:  第一部分:金属有机框架材料Cu-BTC的制备、表征及性能测试。以三水硝酸铜(Cu(NO3)2·3H2O)为金属铜源,均苯三甲酸(H3BTC)为有机配体,以表面活性剂为粒径调控剂,采用水热合成法制备Cu-BTC。研究表面活性剂对Cu-BTC粒径的影响,筛选出调控粒径效果最佳的表面活性剂,应用于Cu-BTC的制备。采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)、傅立叶红外光谱(FT-IR)、比表面积(BET)等测试手段表征和测试分析Cu-BTC结构和性能。结果表明:在所选表面活性剂中,非离子表面活性PVP对Cu-BTC的粒径调控效果最佳,当水热溶液中PVP的浓度为1.4×10-4mol/L时,Cu-BTC的平均粒径达到最小,为2.4μm。对比未加入表面活性剂PVP制得的Cu-BTC,加入PVP所制Cu-BTC粒径明显较小,晶型结构无变化,且形貌规整,Cu-BTC比表面积和对N2的吸附量增大。  第二部分:Cu-BTC/涤纶纤维复合材料的直接水热生长法制备及其性能测试。以碱减量处理的涤纶为载体,以PVP为Cu-BTC粒径调控剂,采用直接水热生长法制备Cu-BTC/涤纶纤维复合材料。研究表面活性剂PVP对复合材料表面Cu-BTC粒径及形貌的影响,探讨涤纶减量率和浸渍硝酸铜溶液中物质的量(nCu(NO3)2)对Cu-BTC固着率的影响,优化Cu-BTC/涤纶纤维复合材料的制备工艺条件。采用XRD、FT-IR、热重分析(TG)、BET等方法表征和测试复合材料的结构和性能,并测试复合材料的水洗牢度以及对甲醛的吸附性能。结果表明,加入PVP有助于纤维表面Cu-BTC的粒径减小和形貌规整;涤纶碱减量处理有助于提高Cu-BTC在纤维表面的固着率,Cu-BTC固着率随着减量率的提高和nCu(NO3)2增加而逐渐增大,最终趋于恒值。当碱减量的NaOH质量浓度为20g/L,浸渍溶液中nCu(NO3)2为4mmol时,Cu-BTC在涤纶纤维上的固着率达到26.3%,粒径约为2-3μm。所制Cu-BTC/涤纶纤维复合材料具有较好的热稳定性和较高的比表面积,对甲醛具有较好的吸附性能,但其水洗牢度较差。  第三部分:Cu-BTC/涤纶纤维复合材料的循环浸渍法制备及其性能测试。将碱减量涤纶分别在金属离子溶液和有机配体溶液中交替循环浸渍,实现Cu-BTC在碱减量涤纶纤维表面的逐层生长,制备Cu-BTC/涤纶纤维复合材料。研究循环浸渍的次数和浸渍溶液中反应物物质的量对Cu-BTC粒径及固着率的影响,采用XRD、FT-IR、BET等方法表征和测试分析所制Cu-BTC/涤纶纤维复合材料的结构和性能,同时测试其水洗牢度,研究复合材料对甲醛的吸附性能。研究表明,Cu-BTC在涤纶纤维上的固着率随着循环次数的增加而提高,粒径随着浸渍溶液中物质的量减小而降低;当溶液中nCu(NO3)2=1mmol,nH3BTC=0.5mmol,浸渍的循环次数为60次时,Cu-BTC在碱减量涤纶纤维上的固着率达到34.2%,粒径为2μm左右。所制Cu-BTC/涤纶纤维复合材料水洗牢度较好,比表面积和吸附性能相对水热法制备具有明显的的提升。  研究表明:表面活性剂PVP能有效减小Cu-BTC的粒径;采用水热生长法和循环浸渍法在涤纶纤维表面原位生长Cu-BTC,涤纶纤维的碱减量可以提高Cu-BTC的负载量;循环浸渍法所制Cu-BTC/涤纶纤维复合材料具有更高的比表面积和吸附性能,水洗牢度较好。
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