【摘 要】
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超疏水材料以其防水、防污、自清洁、可减少流体粘滞性等优良特性,在油/水分离应用上展现出了巨大优势。但仍存在一些需要克服的缺点,例如复杂的制造过程以及因使用后丢弃而造成的二次环境污染。因此选用一种生物可降解分子来构筑超疏水材料是非常必要的。聚乳酸(PLA)是目前应用最广泛的可生物降解材料之一。但PLA直接用作油/水分离膜的分离效率非常低,有必要对其进行疏水改性以提高分离效率。将纳米粒子与聚合物相结合
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超疏水材料以其防水、防污、自清洁、可减少流体粘滞性等优良特性,在油/水分离应用上展现出了巨大优势。但仍存在一些需要克服的缺点,例如复杂的制造过程以及因使用后丢弃而造成的二次环境污染。因此选用一种生物可降解分子来构筑超疏水材料是非常必要的。聚乳酸(PLA)是目前应用最广泛的可生物降解材料之一。但PLA直接用作油/水分离膜的分离效率非常低,有必要对其进行疏水改性以提高分离效率。将纳米粒子与聚合物相结合是一种构建高分离效率和高通量油/水分离材料的有效的方法,可明显改善分离性能。金属有机骨架(MOFs)材料具有出色的化学稳定性、大孔隙率和高比表面积,是一种广泛应用于分离领域的纳米孔材料。本论文以PLA无纺布作为基底材料,在其表面进行MOFs生长及修饰。通过对表面MOFs形貌的调控及微纳结构的设计,赋予整个体系超疏水性,并呈现了很好的油水分离效果。主要研究内容及结果如下:(1)研究了溶剂效应和反应物摩尔比对ZIF-8和ZIF-67晶体形态和大小的影响,确定了ZIF-8和ZIF-L(Co)最佳合成条件。实验结果,以甲醇为溶剂时,低摩尔配比(Zn2+:2-MIM=1:8)即可合成ZIF-8晶体,此时晶体粒径约为250~40nm;以水为溶剂时,需要在高摩尔配比下(Zn2+:2-MIM=1:70)才能够合成ZIF-8晶体,此时晶体粒径约为2μm。在ZIF-67维间相变的研究中我们发现,调节溶剂体积比(甲醇:水=1:0,1:2,1:3,1:4,1:5,0:1)和反应物摩尔比(Co2+:2-MIM=1:2、1:4、1:8和1:16),均可获得不同晶体数量和形态的Co-ZIF。由此可见,溶剂效应和反应物摩尔比对MOFs晶体的结构形成和演变至关重要。(2)在聚乳酸无纺布(PLANWF)基底上设计并构建了基于MOFs分级结构的超疏水表面。首先,在PLANWF表面垂直生长微米尺寸的ZIF-L(Co),随后通过简单的喷涂方法将纳米级ZIF-8负载到ZIF-L(Co)上,从而赋予了材料微/纳多级粗糙结构。这些微/纳结构形成了许多空穴,可以用于捕捉并锁住空气,在PLA无纺布表面形成空气层,不仅实现了材料的超疏水改性,并且赋予了材料低的表面粘附力,使其具有自清洁能力。(3)设计了一种利用润湿包络曲线来评估材料表面润湿性能的新颖方法。通过绘制润湿包络曲线,免除了繁琐的接触角测试过程,可直接评估已知液体在固体表面的润湿情况。另外,通过将材料长时间浸入水中,实现了ZIF-8/ZIF-L(Co)/PLANWF表面可逆的润湿性切换。这种润湿性转化无疑拓宽了超疏水材料的应用领域,为油水分离和工业废水净化提供了新的研究思路。(4)研究了双金属MOFs材料及其Janus结构的构筑。以ZIF-8和ZIF-67研究为基础,分别制备了具有双金属源的MOFs材料Fe-Ni MOF和Zn-Ni MOF;以超疏水材料制备为基础,制备了单面疏水,另一面亲水的多孔Janus膜(JMs)。MOFs具有许多活性位点,为材料的进一步功能化提供了可能性,这项工作提供了一种多功能JMs的设计思路。并且在双金属MOFs的制备过程中,通过对泡沫镍(NF)基底进行碱处理,可实现直接利用NF作为金属源制备双金属MOFs。相比于需要在前驱体溶液中添加两种金属盐的传统制备方法,本实验采用的方法更有利于双金属MOFs的简单快速廉价制备。为MOFs的功能应用带来了新的研究前景,不仅局限于油/水分离领域,在其他超疏水材料应用领域也将会有很大的发展。
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