硅纳米线改性纤维和织物的研究

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具有超疏水超亲油的油水分离功能材料可以有效的分离油水混合物,在处理海上泄漏和工厂漏油方面具有潜在的应用前景。然而,将超疏水超亲油特性赋予柔性材料的研究相对较少,本论文首先将硅纳米线生长在柔性材料的表面并获得具有超疏水超亲油具有油水分离功能的柔性材料,对其改性后的形貌、结构、功能进行了系统的研究。硅纳米线是最新发展起来的一种一维纳米材料,硅纳米线由于自身特有的荧光、紫外等光学特性、场发射、热传导和低的表面能等特性引起了研究者们的广泛关注。1997年,人们首先采用光刻蚀法制得了硅纳米线,但是产量很小,大大的制约了它的实际应用。直到1998年,人们采用了激光烧蚀法成功大量的制备硅纳米线后,硅纳米线的研究才取得了较快的发展,但是成本依然很高,操作复杂。此后研究者分别采用有机溶剂生长、化学气相沉积法、热气相沉积法、模板法等将硅纳米线生长在载玻片上,但是到目前为止,还没有将硅纳米线生长在柔性材料的先例。本论文针对一维硅纳米线的优点,采用液相法将硅纳米线生长在玻璃纤维、PBO纤维、Kevlar49纤维以及织物的表面,得到了超疏水的纤维和织物,拓展了纤维/织物的应用领域,并且成功的将改性后的织物用于油水分离。本论文采用甲基三乙氧基硅烷作为前驱体,以柔性材料中的纤维和织物作为基体,使用低温等离了仪活化基体,利用甲基三乙氧基硅烷可以在酸性条件下水解,并以自组装的形式在活化后的纤维和织物的表面生长出硅纳米线,达到对纤维和织物的表面改性。本文利用液相法成功的将硅纳米线生长在纤维和织物的表面,通过设计正交法并通过大量实验得到了最优的改性参数。结果显示,改性纤维的最优参数为低温等离子处理180s,硅烷偶联剂1.2m1,体积分数为32%的HCl 60ul,反应时间为8h。类似于纤维,织物经过等离子活化以后,通过甲基三乙氧基硅烷的自组装也成功的将硅纳米线改性在织物的表面。采用傅立叶红外光谱仪(FTIR)表征低温等离子活化前后的纤维和织物,结果表明,低温等离子活化后的纤维和织物表面产生了新的活性官能团。利用扫描电子显微镜(SEM)、透射电镜(TEM)和X射线光电子能谱(EDS)对改性后的纤维和织物的微观形貌和表面元素进行测定,结果表明,一维硅纳米线已经成功的生长并且均匀的包覆在纤维和织物的表面,可以得到直径100nm-400nm,长度10um-15um一维硅纳米线,并且随着改性时间的延长而增加。采用热重分析仪(TGA)表征改性前后的纤维和织物,结果表明改性后的纤维和织物热稳定性没有降低,而且残碳率有所提高。采用接触角测量仪对改性后的纤维和织物的接触角进行测量,发现由亲水性转变为超疏水性,接触角达到150°以上,并具有超疏水超亲油性能,并对其稳定性分别进行了耐酸碱、耐紫外的测试,结果显示,经过72小时不同酸碱溶液的浸泡和长达300小时的紫外光辐照,改性后的织物仍具有超疏水超亲油的功能,除此之外,探索了改性后织物对不同种类的油水混合物的分离效果,实验结果发现改性的棉织物对不同种类的油水混合物具有较高的分离效率,分离效率在90%以上,具有重要的应用前景和意义。
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