PAN多孔納米纖維的制備及其吸附性能研究

遲長(zhǎng)龍，王 娜，楊小慧，尚雨婷

(河南工程學(xué)院 材料與化學(xué)工程學(xué)院，河南 鄭州 450007)

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PAN多孔納米纖維的制備及其吸附性能研究

遲長(zhǎng)龍，王 娜，楊小慧，尚雨婷

(河南工程學(xué)院 材料與化學(xué)工程學(xué)院，河南 鄭州 450007)

以聚丙烯腈(PAN)為原料，以聚乙二醇(PEG)為造孔劑，通過靜電紡絲制成PAN/PEG復(fù)合納米纖維，再經(jīng)水洗去除纖維中的PEG成分制備出PAN多孔納米纖維。采用傅里葉變換紅外光譜儀、掃描電子顯微鏡、比表面孔徑測(cè)定儀、分光光度計(jì)分別對(duì)PAN多孔納米纖維的結(jié)構(gòu)、形貌、比表面積及吸附性能進(jìn)行了表征。結(jié)果表明：PAN/PEG復(fù)合納米纖維中兩組分呈微觀相分離狀態(tài)，通過水洗可去除PEG組分制得PAN多孔納米纖維；PAN多孔納米纖維的直徑隨PEG含量及相對(duì)分子質(zhì)量的增加而減小，而比表面積、孔體積以及吸附能力隨PEG含量及相對(duì)分子質(zhì)量的增加而增大。

聚丙烯腈纖維 聚乙二醇 靜電紡絲 多孔納米纖維 吸附性能

近些年來，全球環(huán)境污染日益嚴(yán)重，大氣污染和水污染尤為突出，嚴(yán)重影響著人類的身體健康和生活。多孔納米纖維因大量的微小孔存在纖維表面或內(nèi)部造成纖維的比表面積增大，從而提高了纖維的吸附性能，使多孔納米纖維在處理水污染和大氣污染方面有著極其優(yōu)良的作用。以多孔納米纖維為原材料紡制成的薄膜材料，能夠有效地過濾和吸附污水中的許多有害物質(zhì)，從而可以凈化污水[1-3]。

目前，靜電紡絲是能夠用來制備多孔納米纖維最直接、最實(shí)用的方法。采用靜電紡絲法制備多孔納米纖維的方法通常為先通過靜電紡絲技術(shù)制備出聚合物復(fù)合納米纖維，然后再通過溶劑去除其中一種成分得到多孔納米纖維[4]。李新松等[5]采用電紡法首先制備出聚丙烯腈/聚乙烯吡咯烷酮(PAN/PVP)超細(xì)復(fù)合纖維，然后利用PVP易溶于水的特點(diǎn)瀝濾洗出PVP制備出PAN多孔纖維，所得多孔纖維的比表面積高達(dá)70 m2/g。Zhang Lifeng等[6]將PAN與聚氧化乙烯(PEO)共混后通過靜電紡絲技術(shù)制備出PAN/PEO納米纖維，然后通過水洗去除PEO，制備出比表面積可達(dá)46.8 m2/g的多孔納米纖維。

作者以PAN為原料，以不同相對(duì)分子質(zhì)量的聚乙二醇(PEG)為造孔劑，通過靜電紡絲制成PAN/PEG復(fù)合納米纖維，再經(jīng)水洗去除纖維中的PEG成分制備出PAN多孔納米纖維，研究了PEG的相對(duì)分子質(zhì)量及添加量對(duì)PAN多孔納米纖維吸附性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)1.1 原料及儀器

1.1.1 原料

1.1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

KH-2型靜電紡絲機(jī)：北京康森特科技公司制；KQ-100E型超聲波清洗器：昆山市超聲儀器有限公司制；DZF-6020型真空干燥箱：上海科學(xué)儀器有限公司制；Nicolet iS5型傅里葉變換紅外光譜儀：美國Thermo公司制；Quanta 250型掃描電子顯微鏡：捷克FEI公司制；2QDS-MP-30型比表面孔徑測(cè)定儀：美國康塔儀器公司制；751GD型紫外可見分光光度計(jì)：杭州匯爾儀器設(shè)備有限公司制。

1.2 PAN多孔納米纖維的制備

1.2.1 紡絲溶液的制備

溶液編號(hào)MwPEG質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%180005280001038000154800020520001562000015

1.2.2 PAN/PEG復(fù)合納米纖維的制備

1.2.3 PAN多孔納米纖維的制備

將靜電紡絲制得的PAN/PEG復(fù)合納米纖維在真空干燥箱中干燥24 h至恒重，取出后稱量每一個(gè)試樣的質(zhì)量。然后將其浸漬在70 ℃的去離子水中超聲水洗至少10 min以去除其中的PEG組分，得到PAN多孔納米纖維。之后用抽濾裝置進(jìn)行抽濾，再在真空干燥箱中干燥24 h，取出后稱量水洗后纖維的質(zhì)量，從而可以得出PEG的洗出率。1～6號(hào)紡絲溶液所得PAN多孔納米纖維試樣分別標(biāo)記為1#～6#，見表2。復(fù)合納米纖維試樣中PEG的洗出率均達(dá)到99%以上，說明復(fù)合納米纖維中的PEG已經(jīng)基本洗凈。

試樣PEG洗出率，%1#99．962#99．783#99．874#99．815#99．686#99．87

1.3 分析與測(cè)試

傅里葉變換紅外光譜(FTIR)：將PAN纖維、PEG纖維及PAN/PEG復(fù)合納米纖維粉碎成粉末，用KBr壓片，然后采用Nicolet iS5型傅里葉變換紅外光譜儀對(duì)纖維粉末進(jìn)行測(cè)試。

吸附性能：首先分別配制3，6，12，20 mg/L的亞甲基藍(lán)溶液200 mL，各取3 mL至比色皿中，采用紫外可見分光光度計(jì)于665 nm測(cè)定各溶液的吸光度，繪制濃度-吸光度的標(biāo)準(zhǔn)曲線；然后，取6組6 mg/L的亞甲基藍(lán)溶液各30 mL，分別加入所紡制的纖維試樣，靜態(tài)吸附1 h，取上層清液測(cè)試吸光度(測(cè)試方法與標(biāo)準(zhǔn)曲線測(cè)定相同)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線確定吸附后溶液濃度。按照式(1)計(jì)算PAN多孔納米纖維膜對(duì)亞甲基藍(lán)的吸附量(Q)。

Q=(C0-Ct)V/m

(1)

式中：m為試樣質(zhì)量；V為溶液體積；C0和Ct分別代表起始和吸附一定時(shí)間后溶液的濃度。

比表面積及孔徑分布：取一定質(zhì)量的纖維試樣在300 ℃下抽氣24 h以上，使試樣的空隙處于真空狀態(tài)。然后采用2QDS-MP-30比表面孔徑測(cè)試儀對(duì)試樣的比表面積及孔隙度進(jìn)行測(cè)試，記錄試樣的氮?dú)獾葴匚?脫附曲線。

掃描電鏡(SEM)觀察：采用Quanta 250型掃描電子顯微鏡觀察PAN多孔納米纖維形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 FTIR分析

圖1 不同纖維試樣的FTIRFig.1 FTIR spectra of fiber samples1—純PAN纖維；2—PAN/PEG復(fù)合納米纖維；3—純PEG纖維

2.2 纖維形貌分析

圖2 PAN多孔納米纖維膜的SEM照片F(xiàn)ig.2 SEM images of PAN porous nanofiber membranes

2.3 纖維的比表面積及孔體積

圖3 PAN多孔納米纖維膜的氮?dú)獾葴匚?脫附曲線Fig.3 Adsorption-desorption isothermal curves of PAN porous nanofiber membranes■—1#；●—2#；▲—3#；▼—4#；?—5#；?—6#

Tab.3 Specific surface area and pore volume of PAN porous nanofibers

試樣Stotal/(m2·g-1)Smic/(m2·g-1)Vtotal/(cm3·g-1)Vmic/(cm3·g-1)1#4．9451．8400．0100．0012#5．1270．3710．0150．0003#5．7000．0000．0190．0004#6．0911．9680．0310．0015#3．3713．0800．0170．0016#7．2851．9170．0380．001

2.4 纖維的吸附性能

表4 PAN多孔納米纖維的吸附性能

Tab.4 Adsorption property of PAN porous nanofibers

試樣Q/(mg·g-1)1#0．0452#0．0603#0．1154#0．1605#0．1056#0．190

3 結(jié)論

a. 采用靜電紡絲技術(shù)紡制出PAN/PEG復(fù)合納米纖維，通過水洗去除PEG成分，成功制備出PAN多孔納米纖維。

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Preparation and adsorption property of PAN porous nanofiber

Chi Changlong, Wang Na, Yang Xiaohui, Shang Yuting

(DepartmentofMaterialandChemicalEngineering,HenanUniversityofEngineering,Zhengzhou450007)

Polyacrylonitrile/polyethylene glycol (PAN/PEG) composite nanofiber was prepared by using PAN as raw material and PEG as a pore forming agent via electrospinning process and was produced into PAN porous nanofiber after washing PEG off. The structure, morphology, specific surface area and adsorption property of PAN porous nanofiber were characterized by Fourier transform infrared spectrometry, scanning electron microscopy, pore surface area analysis and spectrophotometry. The results showed that PEG could be washed off for preparing PAN porous nanofiber due to the microscopic phase separation state of PEG and PAN in the composite fiber; and the diameter of PAN porous nanofiber was decreased and the specific surface area, pore volume and adsorption property were increased with the increase of the relatively molecular mass and content of PEG.

polyacrylonitrile fiber; polyethylene glycol; electrospinning; porous nanofiber; adsorption property

2016- 07- 04； 修改稿收到日期：2016- 09-25。

遲長(zhǎng)龍(1978—)，男，副教授，主要研究方向?yàn)楦叻肿硬牧霞庸ぜ案男?。E-mail：chichanglong123@163.com。

TQ342+.31

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1001- 0041(2016)06- 0016- 04