超高分子量聚乙烯纤维及织物的辐射接枝改性与功能化研究
高乾宏
学位类型博士
导师吴国忠
2016
学位授予单位中国科学院研究生院(上海应用物理研究所)
关键词超高分子量聚乙烯纤维 辐射接枝聚合 功能化 吸附 化学镀
摘要超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维是一种高性能有机纤维,具有优异的力学性能,被广泛地应用于军事、医学、化工以及建筑等领域。但由于UHMWPE纤维的表面能低和非极性,限制了其在材料领域中的应用。本论文利用辐射接枝方法与其它制备方法相结合,成功制备了含有吸附官能团和具有导电性能的UHMWPE基功能化材料,包括偕肟胺基UHMWPE纤维状吸附材料,含有季铵盐的UHMWPE纤维状吸附材料以及化学镀铜的UHMWPE纤维(织物)。首先,采用预辐射接枝的方法成功地将甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)和丙烯酸甲酯(MA)共接枝到UHMWPE纤维上,随后通过化学修饰在接枝后的UHMWPE纤维上引入偕肟胺基,详细地研究了不同条件对接枝率的影响以及丙烯腈加成反应的动力学,并对接枝和化学修饰前后的UHMWPE纤维的化学结构、表面形貌、热性能、结晶结构和力学性能进行评估,研究结果表明:已经成功制备出偕肟胺基UHMWPE纤维同时该方法制备的偕肟胺基纤维最大程度的保留了UHMWPE纤维的优异力学性能。为了评估吸附材料在海水环境中的吸附性能,将该吸附材料放入模拟海水中进行流动吸附,实验结果表明:经过42天流动吸附,该材料对铀具有较高的吸附选择性且吸附容量可达1.97 mg U/g。其次,将接枝GMA的UHMWPE纤维先后与三乙烯四胺和2,3-环氧丙基三甲基氯化铵反应,制备出含有季铵盐的UHMWPE纤维,并通过ATR-IR和SEM研究了接枝前后化学结构及形貌变化。将该纤维应用于水体中铬酸根离子的吸附研究,考察了溶液的pH值、不同的接枝率、起始浓度和共存阴离子的影响,探讨了吸附动力学、等温线以及可重复使用情况,并对材料的再生性能以及吸附机理进行了研究。结果表明:该季铵盐纤维对Cr(VI)的最大吸附容量为276 mg/g;吸附最佳pH值为3;吸附动力学研究说明,该纤维对Cr(VI)的吸附动力学符合准二级动力学模型;吸附等温线研究表明,其吸附行为更符合Langmuir吸附等温模型。通过不同的脱附剂对吸附饱和的纤维进行脱附,结果表明0.5 M NaOH效果最好;对其重复使用性进行研究,结果显示该材料经过8次吸附-脱附循环,其吸附效率仍然保持初始值的90%;共存阴离子会导致Cr(VI)的吸附容量下降且对其吸附效率的影响如下:SO42->H2PO4->NO3->Cl-。通过ATR-IR和XPS测试手段对该季铵盐纤维吸附机理进行研究,结果表明:该吸附材料主要通过离子交换方式吸附Cr(VI)。再次,通过预辐射接枝方法在水溶液中成功地将丙烯酸接枝到UHMWPE纤维上,通过红外图谱表征接枝前后纤维的化学结构变化。UHMWPE-g-PAAc纤维吸附银离子后放入以甲醛为还原剂的镀液中进行化学镀铜,得到表面均匀包覆一层铜层的UHMWPE纤维,电阻率为1.4×10-5Ω?cm。通过SEM、TG和单丝强力测试表征了接枝及化学镀前后UHMWPE纤维的形貌、热稳定性以及力学性能的变化。将镀铜UHMWPE纤维置于空气中,其电阻率随着在空气中暴露时间的增加而明显增大,导电性能逐渐发生下降,影响其长期使用性能;为了测试纤维与表面铜层的结合牢固度,将化学镀铜的UHMWPE纤维根据AATCC61-2006标准加速洗涤,其结果显示铜层与纤维结合牢固。最后,通过共辐射接枝与自组装方法相结合,成功制备出UHMWPE基有机-无机杂化织物,并用ATR-IR、XPS和29Si-NMR来表征织物的化学结构及组成。UHMWPE-g-PMAPS-NAPTES织物吸附PdCl42-离子后,放入以次磷酸钠为还原剂的镀液中进行化学镀铜,得到表面镀铜的UHMWPE织物,表面电阻为5.45×10-2Ω/sq。通过SEM、TG和XRD对织物的形貌、热稳定以及晶体结构进行表征分析。为了提高镀铜织物的抗氧化性,进一步在UHMWPE织物化学镀铜的基础上进行化学镀镍来保护铜层,得到镍铜包覆的UHMWPE织物。运用矢量网络分析仪测量镀铜(镍)后UHMWPE织物的电磁屏蔽效应,测试结果显示镍铜包覆的UHMWPE织物在8~12 GHz频率范围内能够将近乎94%的电磁波屏蔽掉。
语种中文
文献类型学位论文
条目标识符http://ir.sinap.ac.cn/handle/331007/28429
专题中科院上海应用物理研究所2011-2018年
作者单位中国科学院上海应用物理研究所
推荐引用方式
GB/T 7714
高乾宏. 超高分子量聚乙烯纤维及织物的辐射接枝改性与功能化研究[D]. 中国科学院研究生院(上海应用物理研究所),2016.
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