本文選題：聚丙烯薄膜　切入點：成孔行為　出處：《西南交通大學》2016年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：隨著科學技術(shù)的迅速發(fā)展,新型產(chǎn)品層出不窮,它們的出現(xiàn)一方面提高了人們的生活水平,但另一方面也不可避免地帶來了一系列環(huán)境問題,日益惡化的環(huán)境已經(jīng)對人們的日常生活造成了極大的影響,嚴重威脅著人們的身體健康。近些年來,水污染和空氣污染問題受到了廣泛關(guān)注,研究者已經(jīng)通過多種方式對相關(guān)的環(huán)境問題進行治理,其中,薄膜分離及吸附技術(shù)以其高效、低成本、易于操作等優(yōu)點受到了研究者的廣泛青睞。但是,多孔薄膜結(jié)構(gòu)難于控制,采用傳統(tǒng)方法得到的多孔薄膜材料結(jié)構(gòu)單一,功能性較弱,因此,需要通過引入功能性填料或改進控制方法使薄膜材料具有更高的實用價值。聚丙烯(Polypropylene,PP)作為世界五大通用塑料之一,以其低廉的成本以及優(yōu)異的綜合性能而被用作功能性薄膜的基體材料,PP基多孔薄膜材料具有力學性能優(yōu)異、尺寸穩(wěn)定性好、化學穩(wěn)定性優(yōu)異等諸多特性,從而被廣泛地應(yīng)用于污水處理、空氣凈化等領(lǐng)域。PP多孔薄膜材料可以通過多種方法制備得到,常用的方法主要有拉伸法、熱致相分離法、浸沒沉淀法等。通過改變制備過程中的加工條件可以有效調(diào)控多孔薄膜材料的微孔參數(shù),如孔隙率、平均孔徑尺寸、孔連通性等。進一步對PP多孔薄膜進行表面改性處理可以有效改善薄膜表面的親水性,賦予其一定的吸附性能,使得PP多孔薄膜材料更具應(yīng)用潛力。本論文采用等規(guī)PP作為基體材料,通過熔融共混將石墨烯(Graphene,GE)或氧化石墨(Graphite oxide,GO)引入到PP基體中,并通過引入p成核劑(β-nucleating agent,β-NA)或成孔劑(Polyethyleneoctylphenyl-10,PP-10)等助劑制備得到復(fù)合材料,進一步對復(fù)合材料進行熔融模壓、單軸拉伸制備得到多孔薄膜材料,通過研究退火處理或改變拉伸速率、拉伸溫度、拉伸應(yīng)變等條件對成孔行為的影響,詳細闡述了不同組分的復(fù)合材料薄膜在不同加工條件下的成孔機理。以烯丙胺為反應(yīng)單體,采用等離子體改性技術(shù)對復(fù)合材料多孔薄膜進行表面改性,通過研究薄膜表面的理化性質(zhì)及相關(guān)吸附性能,闡明了等離子體改性技術(shù)改善PP薄膜表面親水性及吸附性能的作用機制。全文得到的主要結(jié)論如下：(1)通過熔融共混制備得到PP/GE/-—NA復(fù)合材料,并對其結(jié)品及熔融行為進行了相關(guān)研究。結(jié)果表明,GE在PP基體中呈片層狀分布,分散狀況良好；GE對PP的a晶型具有一定的異相成核作用,但其成核效率低于β-NA；將兩者同時引入到PP基體中對提升其結(jié)晶能力具有一定的協(xié)同作用。兩者的協(xié)同作用效果在很大程度上依賴于結(jié)晶條件：在等溫結(jié)晶過程中,隨著結(jié)晶溫度的提高,兩者的協(xié)同作用變得更加明顯；而在非等溫結(jié)晶過程中,隨著降溫速率的提升,兩者的協(xié)同作用會愈加顯著。對于不同的樣品而言,其熔融行為差異較大,不同的熔融峰對應(yīng)于不同填料誘導(dǎo)產(chǎn)生的晶體的熔融。由此可見,通過改變PP基復(fù)合材料的成分以及結(jié)晶條件,可以對其晶體結(jié)構(gòu)進行有效控制。(2)以p-PP為基體,通過引入一定含量的GO制備得到復(fù)合材料薄膜,再通過單軸拉伸的方式制備得到復(fù)合材料多孔薄膜,對復(fù)合材料薄膜的初始形貌進行了研究,同時分析了不同加工條件以及預(yù)處理方式對多孔薄膜材料成孔行為的影響。研究發(fā)現(xiàn),隨著拉伸溫度的提高以及拉伸速率的減小,PP/β-NA/GO多孔薄膜的平均孔徑尺寸呈現(xiàn)增加的趨勢,同時,隨著拉伸溫度的降低以及拉伸速率的減小,PP/β-NA/GO多孔薄膜的孔隙率呈現(xiàn)增加的趨勢。GO的引入能夠使多孔薄膜的平均孔徑尺寸減小,同時使其孔隙率增加。PP/β-NA/GO多孔薄膜材料的孔隙率和平均孔徑尺寸均隨著拉伸應(yīng)變的增加而增加,但當拉伸應(yīng)變過大時,多孔薄膜材料的孔隙率會有所下降。進一步研究發(fā)現(xiàn),退火處理能夠有效增加PP/β-NA/GO多孔薄膜材料的孔隙率和微孔結(jié)構(gòu)規(guī)整性,同時減小薄膜材料的平均孔徑尺寸。(3)通過熔融共混的方法將OP-10成功地引入到PP基體中,通過單軸拉伸的方式制備得到了多孔薄膜材料,并研究了OP-10的引入對PP基多孔薄膜材料拉伸過程中成孔行為的影響。結(jié)果表明,OP-10的引入能夠誘導(dǎo)PP基體產(chǎn)生大量的初始微孔結(jié)構(gòu),同時,OP-10的存在阻礙了PP基體的成核,最終導(dǎo)致所得的PP晶體具有較小的晶片厚度。相比于PP多孔薄膜材料,OP-10的引入能夠顯著增加PP/OP-10多孔薄膜材料的有效孔隙率,在OP-10含量較高以及拉伸應(yīng)變較大的情況下,有效孔隙率的增加更加明顯；另外,初始微孔的存在能夠在一定程度上改變薄膜材料內(nèi)部的應(yīng)力場分布,引發(fā)更多微孔結(jié)構(gòu)的形成,改善多孔薄膜材料的孔連通性,增加其有效孔隙率。(4)采用熔融共混將OP-10和GO同時引入到PP基體中,并進一步通過熔融模壓、單軸拉伸的方式制備得到復(fù)合材料薄膜,并對薄膜材料在拉伸過程中的成孔行為進行了研究,研究為高孔隙率多孔薄膜的制備提供了一種簡單有效的方法。研究表明,一方面,分散性良好的GO可以改變PP基體內(nèi)部的應(yīng)力分布,誘導(dǎo)GO片層周圍的PP基體產(chǎn)生更多的微孔結(jié)構(gòu)；另一方面,GO能夠限制PP分子鏈的運動,從而在一定程度上抑制新生微孔的生長與擴展。GO與OP-10的共同作用使PP/GO/OP-10多孔薄膜具有平均孔徑尺寸小、孔隙率高的結(jié)構(gòu)特征,這種優(yōu)化結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生使復(fù)合材料多孔薄膜在分離或過濾領(lǐng)域具有極高的應(yīng)用價值。(5)采用烯丙胺為反應(yīng)單體,通過等離子體改性技術(shù)對PP/GO/OP-10薄膜材料進行了表面改性,并對改性后薄膜材料表面的物理和化學結(jié)構(gòu)進行了表征,并對薄膜材料的吸附性能進行了深入研究。結(jié)果表明,等離子體表面改性處理使薄膜材料表面產(chǎn)生了大量的含氧及含氮官能團,但在一定程度上減小了薄膜材料的表面粗糙度。通過等離子表面改性,薄膜表面的靜態(tài)水接觸角降低至11.9°,說明薄膜具有超親水性。通過改變等離子體處理的時間可以有效調(diào)控薄膜材料的微孔結(jié)構(gòu)及其吸附性能,隨著等離子體處理時間的延長,薄膜材料的微孔數(shù)量、微孔孔徑尺寸以及孔隙率均呈現(xiàn)下降的趨勢。與此同時,薄膜材料對剛果紅染料分子的吸附能力不斷增強,吸附量不斷增加,其主要是得益于有機染料分子與薄膜表面之間不斷增強的相互作用。本論文提供了一種高效且環(huán)保的吸附性薄膜制備技術(shù),采用該技術(shù)能夠有效控制薄膜的微觀結(jié)構(gòu)并改善其表面的親水性及其吸附性能,從而為水處理薄膜的制備和應(yīng)用提供了新的思路和方法。
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【學位授予單位】：西南交通大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TB383.2
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本文編號：1614523