静电纺技术理念之磁性纳米材料制作及在污水优化之应用

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1、静电纺技术理念之磁性纳米材料制作及在污水优化之应用第一章绪论1.1磁性复合纳米材料磁性纳米粒子通过表面修饰，能有效地改变表面电荷、功能性质和反应活性，并能进一步增强粒子的稳定性和分散性。相对于单组分的磁性纳米粒子而言，磁性纳米复合物经常具有更好的物理、化学性质，并呈现更广阔的应用潜力，故而受到了越来越多的关注。磁性复合材料通常包括磁性材料以及骨架材料两部分，两者以不同的形式组合，构成不同类型的磁性复合材料。一般而言，单质铁(Fe)、铁的氧化物(Fe304、y-FezOa).媒(Ni)、钻(Co)、铁镍合金和铁钻合金等都是常用的磁性材料。虽然钻(C

2、o)、铁(Fe)镍(Ni)等磁性金属粒子的饱和磁化强度较高，但其在空气中极易氧化生成CoO和FeO，是反铁磁性的物质，对金属物质的磁性起着副作用；其次镍(Ni)、钻(Co)属于重金属，具有一定的致癌作用，限制了其在生物、医药等领域的应用。另外，这些纯金属纳米级粒子的制备工艺条件相对复杂，限制了这些高饱和磁化强度的金属磁性粒子的应用[1]。而铁的氧化物(Fe304、y-FAOS)由于其制备方便、具有良好的磁稳定性以及较好的生物安全性(LD50约2000mg/kg体重，高于目前的临床应用剂量）等特点，受到研究学者的极大关注，通常被用作磁性复合材料的磁

3、性粒子。骨架材料除了可以对磁性粒子进行修饰外，还能有效的防止磁性粒子易于团聚和被氧化。目前国内外对于磁性纳米粒子的包覆材料和包覆方法做了大量的研究。常用的包覆材料主要有有机小分子、有机高分子和无机纳米材料，其中有机高分子材料又包含天然生物大分子和合成高分子材料两大类。通过骨架材料的修饰和包覆可以提高磁性粒子的稳定性和分散性，还可以将若干个磁性纳米粒子组成一个磁性复合粒子，提高粒子中磁性材料的含量。1.2静电纺丝技术1.2.1静电纺丝技术概述静电纺丝起源于Formalas于1934~1944年期间申请的一系列专利，在这些专利中，Formalas阐述

4、了一种利用静电力生产聚合物细丝的装置，主要原理是利用高压静电场激发带电的聚合物射流，使聚合物射流固化得到聚合物细丝[27]。Reneker[28]等人对其在不同技术领域的可能应用和纤维的形成机理进行了详细的讨论。一般的说，一台静电纺丝装置由以下几部分组成：直流高压电源、C液装置、喷丝头和接收装置。基于这一基本原理，对各部分进行适当改进，到目前为止，已经发展演化出多种不同的类型，有乳液静电纺、溶融静电纺、升温静电纺、同轴静电纺和水浴静电纺等，但其基本设想仍沿袭了这一基本原理。直流高压电源提供产生聚合物射流的高压电场，电场的两极分别连接喷丝头和接收装

5、置，在电场中液滴表面积聚电荷，受电场力拉伸而形成Taylor锥。Taylor锥所受的电场力一旦克服表面张力，射流就会从Taylor锥的尖端喷发出来，在空气中急速震荡和动，不断分叉、拉伸、细化，同时伴随溶剂挥发，射流固化，最终沉积在收集板上，得到超细纳米纤维[29]。静电纺丝技术可加工的材料范围很广，既包括了胶原质、壳聚糖、丝素蛋白等天然大分子，也包含了尼龙、聚丙烯腈、聚乳酸、聚乙烯醇、聚苯乙烯等人工合成大分子，也包括二氧化钛、氧化错、石墨烯、高岭土等无机材料。综上所述，静电纺丝的原理虽然比较简单，但是静电纺丝的过程是电场诱导流体运动的过程，其内容

6、涉及到物理、化学、电学和流体力学等方面，是一个十分复杂的物理现象，因此，静电纺丝的理论研究是一个漫长的过程。第二章磁性复合纳米纤维膜的制备与表征2.1引言在众多制备一维(ID)纳米纤维的方法中，静电纺丝技术以其高效、简便、快速性而引起研究学者的广泛关注。作为一种可快速制备具有三维连续孔状结构纳米纤维的方法[68，69]，静电纺丝技术自首次报道以来，受到研究学者的极大关注。到目前为止，己被证实可以将多种不同类型的材料制备成纳米纤维，包括有机材料、无机材料和有机-无机复合材料等[73_78]。本章基于静电纺丝技术，以聚丙炼腈(PAN)为聚合物纺丝材料

7、，曲拉通X-100为表面活性剂，将Fe304纳米粒子分散在聚合物纺丝液中，对影响纺丝因素的各个条件进行探讨，制备不同FesCU含量的FesCVPAN复合纳米纤维膜。并釆用SEM、FT-IR、XRD和VSM等技术对复合纳米纤维膜的表面形貌、物象组成和磁学性能等性质进行表征。以期此种纳米纤维在废水处理领域具有良好的应用潜质。2.2实验部分扫描电镜主要用于观察不同条件下制备的FesCVPAN复合纳米纤维的形貌。将招箱上的复合纳米纤维试样镀金操作，然后在10kV的加速电压下，采用JSM-5600LV型扫描电子显微镜(SEM)观察现为表面形态并拍照，分析扫

8、描电镜照片。将复合纳米纤维膜在低温冰箱内冷冻后研碎，与KBr粉末一起放入研钵中混匀，然后压片，采用美国Nicolet公司的Nexus-6