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静电纺丝法是一种简便先进的纳米纤维制备方法。结合溶胶-凝胶法制备氧化物纤维,可通过设计前驱体和改变热处理方式实现纤维结构调控,从而获得多种符合预期的氧化物纤维材料。氧化镁(MgO)具有高熔点、高活性、高比表面积等特点,可用作隔热材料、催化剂、吸附剂。MgO纤维可作为轻质耐火材料使用,同时具有亚微米量级细直径的MgO纤维由于其较大比表面积等结构特性而在新的领域展现出应用价值。本论文围绕MgO基无机氧化物纤维的开发和利用,对MgO纤维和Si02-MgO二元氧化物纤维的静电纺丝工作进行了系列研究,探讨了它们的(液相)吸附性能。本论文工作立足于开发水溶剂体系的溶液静电纺丝策略,以廉价、简便、环保为目标,优化纤维制备方法的同时规避了有机溶剂的污染和安全问题。本论文工作的主要成果包括,解决了因MgO的脆性特质导致的细直径MgO纤维的高温脆裂性粉化问题;成功合成了水系硅镁溶胶,填补了 Si02-MgO纤维的直接静电纺丝制备策略上的空白。本论文主要工作内容如下:一、通过优化前驱体组成改善MgO纤维质量1.MgO纤维的制备、表征和纤维演化过程分析。采用四水合乙酸镁(MATH)和聚柠檬酸镁(PMC)为双前驱体,以水作溶剂、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)作纺丝助剂进行静电纺丝,经热处理后获得MgO纤维。通过傅里叶转换红外(FT-IR)光谱、X射线衍射(XRD)、热重和差示扫描量热(TG/DSC)分析,发现双前驱体纤维具有温和的热分解过程和较大的结晶温度范围,而单前驱体的热分解过程较为剧烈且结晶温度范围小。挥发物的缓慢排除和热量的缓慢流失是温和分解过程的两大特征,热分解过程对纤维形貌和质量产生显著的影响。根据热分析结果提出了一种多晶MgO纤维的形成机理。MATH和PMC的适当配比能够使纤维的热分解过程变得温和,获得持续稳定的结晶过程,从而形成结构密实且具备优异耐温性的MgO纤维。前驱体中的PMC质量分数为30%～50%时,纤维经1000℃热处理后不会粉化,仍能保持蓬松的形态,且平均直径为235±5 nm。因此,使用双前驱体能够解决纤维的高温脆裂性粉化问题,并可通过调节前驱体配比实现MgO纤维的形貌结构调控。二、利用双前驱体制备介孔MgO纤维1.用易水蒸气解析的丙酸取代冰醋酸为配体源,以聚丙酸氧镁(PMP)和PMC为新型双前驱体进行纺丝,通过调节前驱体配比和热处理方式提高介孔MgO纤维的比表面积。由于热处理过程显著影响氧化物纤维的结构和成分,比较和讨论了 MgO纤维在空气中和水蒸气中进行热处理的性质和性能差异。扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)的表征结果表明,空气中热处理的纤维具有独特的半球状二级结构,而水蒸气处理的纤维却没有这种结构。水蒸气中处理的纤维形貌规则、成分均匀,然而其比表面积和表面碱性却低于空气中热处理的纤维。以PMC:PMP质量比为1:1.76的双前驱体制备的纤维经空气中热处理后比表面积可达232.4 m2/g,总孔体积可达0.560 cm3/g,介孔孔径集中分布在2-10 nm范围内。2.研究了 MgO纤维对Pb(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)的吸附动力学、等温线和相互作用机理。MgO纤维对Pb(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)的最大吸附容量分别为2983.4和1824.0mg/g。与其他报道中的粉末状MgO吸附剂相比,介孔MgO纤维在水溶液中易于移动,易于与溶液分离,对Pb(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)具有更大的吸附容量。介孔MgO纤维吸附Pb(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)的机理包括重金属离子与OH-发生表面沉淀和与Mg2+或酸性-OH中的H+进行离子交换。介孔MgO纤维的高吸附容量一方面归因于其具有强的水合和羟基化能力产生了富含羟基的表面,另一方面归因于其纤维形态和表面半球状结构增强了吸附剂流动性和固液接触面积。三、一步溶胶静电纺丝法制备介孔SiO2-MgO复合纤维及重金属离子吸附研究1.一步溶胶静电纺丝法制备介孔SiO2-MgO复合纤维以提高MgO基纤维的化学稳定性和循环再生性能。采用强酸型镁盐MgCl2·6H2O、Mg(NO3)2·6H2O为镁源,硅酸四乙酯(TEOS)为硅源,以水/乙醇为共溶剂,十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)为扩孔剂,聚乙烯醇(PVA)为纺丝助剂,成功合成了可纺性Si-Mg溶胶前驱体纺丝液。采用线性加热、步进加热、高压蒸汽(HPS)预处理加热三种热处理制度对Si/Mg比2:1的纤维在不同温度下进行了热处理。HPS预处理加热使纤维的比表面积显著提高到485.3 m2/g,孔体积增加到0.621 cm3/g。TEM结果显示,前两种热处理方式(空气中处理)所得纤维具有较为致密的壳层结构,而HPS预处理方式热处理能够解除成孔抑制因素,使纤维具有均匀的多孔结构。以MgCl2·6H2O为镁源制备的纤维可使MgO(111)极性面暴露于纤维表面,其比表面积和表面碱性均高于使用Mg(N03)2·6H20制备的纤维。2.介孔Si02-MgO复合纤维对五种常见二价金属离子的亲和性强弱顺序为Pb(Ⅱ)>Cu(Ⅱ)>Ni(Ⅱ)>Cd(Ⅱ)>Zn(Ⅱ)。吸附动力学显示,Pb(Ⅱ)和 Cu(Ⅱ)的吸附过程符合准二级(PSO)动力学方程。Pb(Ⅱ)和Cu(Ⅱ)的吸附等温线符合Langmuir模型,在298 K温度下Pb(Ⅱ)和Cu(Ⅱ)的Langmuir吸附容量(QmL)分别为787.9和493.0 mg/g。SiC2-MgO纤维吸附Pb(Ⅱ)和Cu(Ⅱ)的吉布斯自由能变△G0的范围在-33.33～-27.52 kJ/mol之间,△G0的绝对值随温度升高而增大,说明吸附过程是物理吸附和化学吸附并存的过程。相比MgO纤维和Si02纤维,Si02-MgO纤维具有理想的可回收性和循环使用性能。经过三次循环吸附后的纤维形貌没有发生明显变化。而且,Si02-MgO纤维吸附重金属离子后的溶液平衡pH值为6.1～6.6,中和了酸性溶液而不至于使其碱化。四、柠檬酸辅助溶胶-凝胶法制备介孔MgO-SiO2纤维1.开发了一种新颖、简便、满足绿色化学要求的非模板法介孔MgO-SiO2纤维合成策略。以柠檬酸为重要原材料,一材多用,用于促进TEOS的水解、合成Mg溶胶及产生扩孔作用。依然以水/乙醇为共溶剂,使用TEOS水解产物、柠檬酸镁溶胶和PVA纺丝助剂来合成可纺性Si-Mg溶胶,并向溶胶中原位添加适量H202以改善纤维质量。整个纺丝液制备过程不使用任何模板剂和有害化学品。H202的加入有纤维脱色作用,增强了纤维亲水性,提高了纤维表面碱性,但降低了纤维比表面积。经空气中热处理获得MgO-SiO2纤维为表面光滑的圆柱状长纤维,具有狭缝状孔道结构,孔径大小分布在3-17 nm。2.选用表面碱性较强的纤维MS6H0.5-600作为吸附剂,其Si:Mg摩尔比为1.5:1,比表面积为 142.61 m2/g。MS6H0.5-600 对金属离子(Pb(Ⅱ)/Cu(Ⅱ))的吸附能力优于亚甲基蓝(MB)和富里酸(FA)等有机污染物,对Pb(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)、MB、FA 的吸附容量分别为 753.12、480.96、315.6、24.04 mg/g。Pb(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)的吸附等温线和动力学符合Langmuir模型和PSO模型,FA吸附符合Freundlich等温线模型和准一级(PFO)动力学模型。MB吸附符合Freundlich等温线模型,但其吸附动力学过程特殊,吸附初期服从PSO模型而后服从PFO模型。MgO-SiO2纤维的主要吸附机理是与Pb(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)的离子交换及微沉淀,和对MB和FA的物理吸附。纤维对除FA外的三种污染物均表现出良好的循环再生性。与前一工作相比,柠檬酸辅助溶胶-凝胶法制备的MgO-SiO2纤维形貌好但比表面积低,吸附性能尚可。本工作简化了纤维制备所需的原材料和工艺步骤,且满足绿色化学要求。五、硅酸镁(MgSiO3)纤维的表征1.在硅镁复合氧化物纤维研制的基础上,通过高温热处理获得了硅酸镁纤维并加以表征。探讨了两种MgSiO3纤维的热分解过程和形貌结构差异。比较经1000℃热处理后的纤维,以MgCl2·6H2O为镁源制备的MgSiO3纤维平均直径为0.62μm,呈卷曲或螺旋状,且具有核-壳分层结构。利用柠檬酸盐制备的纤维的平均直径为1.16 μm,形态为长直纤维,纤维结构均匀。由两种纤维压制而成的纤维块具有较低的热导率,在400-800℃的热导率为0.200-0.603 W/(m·K)。