李學(xué)英，馮瑞軍（新疆輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，新疆烏魯木齊830021）

碳納米管/聚乙烯醇復(fù)合薄膜的制備及其性能研究

李學(xué)英，馮瑞軍
（新疆輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，新疆烏魯木齊830021）

碳納米管具有良好的電學(xué)、力學(xué)以及熱學(xué)等特性，是一種好的聚合物增強材料，將其應(yīng)用在復(fù)合材料膜中，對提高復(fù)合膜制備性能具有重要意義。

碳納米管；聚乙烯醇復(fù)合薄膜；性能

碳納米管（CNT）是一種新型的納米碳材料[1]，具有獨特的力學(xué)性、光學(xué)性、韌性，所以廣泛應(yīng)用在儲氫材料、超導(dǎo)材料和復(fù)合材料增強劑中。納米技術(shù)的進步促進了納米多孔膜的發(fā)展，J·H·Choi等人將碳納米管與聚砜材料混合在一起，通過相轉(zhuǎn)化方法制備出了分散性比較好的復(fù)合膜，提高了復(fù)合膜的截留率和純水通量。聚乙烯醇（PVA）是一種含有大量羥基的聚合物，用其制備的膜具有一定親水性和抗污染能力，但是這種膜很容易發(fā)生溶脹，且截留率低。隨著科技的進步，逐漸發(fā)展出有機、無機納米粒子復(fù)合膜等，向有機基膜中加入無機納米粒子，大大增強了力學(xué)強度和導(dǎo)電性能。如果用其制備納米碳納米管-二氧化硅復(fù)合膜，復(fù)合膜的耐污染性和截留率大大提高。本文主要以聚乙烯醇作為膜基材料，在膜液中添加表面活性劑羥基化的納米碳管，致孔劑使用聚乙二醇，通過浸沒沉淀的方法制膜，研究碳納米管用量的多少對復(fù)合膜性能的影響，對降低復(fù)合膜制備的成本、提高制備質(zhì)量等具有重要影響，從而推動我國電子、纖維制品、功能材料以及航天航空等領(lǐng)域的發(fā)展。

1 碳納米管制備方法

目前，碳納米管制備方法有電弧放電法、化學(xué)氣相沉積法、激光燒燭法、固相熱解法、氣體燃燒法、輝光放電法以及聚合反應(yīng)合成等。其中電弧放電法是生產(chǎn)碳納米管的主要方法，是1991年日本的物理學(xué)家發(fā)明的。其具體操作方法是將石墨電極放入He或者Ar的反應(yīng)器中，激發(fā)石墨兩極的電弧，從而產(chǎn)生4000℃的高溫，石墨蒸發(fā)，從而產(chǎn)生碳納米管。這種制備碳納米管的方法比較簡單，得出的只是碳納米管的混合物，于是在這個基礎(chǔ)上，發(fā)展出了化學(xué)氣相沉積法，這種方法克服了電弧放電法的缺陷，能夠得到純度比較高的碳納米管，但是必須使用一定量的催化劑。但是碳納米管對生產(chǎn)過程中，會產(chǎn)生金屬物質(zhì)，這些金屬物質(zhì)對人體和生物是有一定危害的，所以目前臨床和實驗上對其并沒有進行大規(guī)模的應(yīng)用。

2 碳納米管/聚乙烯醇復(fù)合薄膜的制備實驗[2]

2.1 實驗材料

聚乙烯醇聚合物、碳納米管、聚乙二醇、牛血清蛋白、硫酸鈉溶液、十二烷基硫酸鈉。

7530G型紫外可見光分光光度計（惠普上海分析儀器公司）；SK5200H型的超聲波清洗儀（上?？茖?dǎo)儀器有限公司）；掃描電子電鏡、杯式超濾杯、電子式拉力試驗機等。

2.2 制備試樣

2.2.1 碳納米管的羥基化取一定量的碳納米管，加入50mL的濃HCl溶液，經(jīng)過攪拌加熱回流7h，去除溶液中的金屬氧化劑，然后在碳納米管溶液中添加濃硫酸，超聲5h，然后用蒸餾水沖洗得到中性羥基化的碳納米管。

2.2.2 制備復(fù)合膜將聚乙烯醇溶入到90℃的熱水中，配置為14%的水溶液，攪拌2h，添加用十二烷基硫酸鈉分散不同用量的羥基化碳納米管和聚乙二醇，倒入90℃的熱水中攪拌2h，將所得的鑄膜液放在70℃的恒溫水中保溫，靜置脫泡24h，然后倒入玻璃板上，用兩端帶有銅絲的玻璃棒刮膜，在空氣中蒸發(fā)30s后，立即將其浸泡在飽和硫酸鈉溶液中，24h以后，膜自動脫落。根據(jù)羥基化碳納米管的用量制備1～5份的復(fù)合膜。

2.3 性能測試

2.3.1 復(fù)合膜的性能測試用電子式拉力測試機測量不同用量的羥基化碳納米管對復(fù)合膜和聚乙烯醇復(fù)合膜的拉伸強度和拉伸斷裂伸長率。測試在室內(nèi)溫度18℃的情況下進行，拉伸速度為每分鐘2mm·min-1。

2.3.2 復(fù)合膜的通水測試在18℃的室溫條件下，將膜放在杯式濾器中，用0.1MP4的壓力下預(yù)壓1h，收集1h內(nèi)透過液的體積，從而測試復(fù)合膜的純水通量，經(jīng)過實驗發(fā)現(xiàn)，羥基碳納米管用量不同，水通量也不同。2.3.3截留率測試在18℃室內(nèi)溫度條件下，配置不同溶度的牛血清蛋白標準溶液，通過紫外可見分光光度計，得到不同的濃度牛血清蛋白溶液的吸光度，并繪制標準曲線，然后將這些不同濃度的牛血清蛋白溶液進行過濾，直到流量穩(wěn)定，收集到一定數(shù)量的溶液以后，用紫外可見光光度計測量原溶液和濾液，根據(jù)標準曲線方程計算相應(yīng)的濃度，然后再計算各濾膜的截留率。

2.3.4 抗污染性能測試為了測試復(fù)合膜的抗污染能力，用蒸餾水和牛血清蛋白溶液為原料對其進行測試。首先測量復(fù)合膜的純水通量，然后測試牛血清蛋白污染的復(fù)合膜純通水量，復(fù)合膜污染有，用蒸餾水反復(fù)沖洗以后，再進行測量通水量。

2.4 實驗結(jié)果

2.4.1 使用不同用量羥基碳納米管復(fù)合膜的力學(xué)性能使用不同用量的羥基碳納米管測試以后，得出的拉伸數(shù)據(jù)見表1。

表1 拉伸數(shù)據(jù)Tab.1 Tensile data

從表1可以看出，隨著羥基碳納米管量的增長，復(fù)合膜的拉伸強度和斷裂強度先上升隨后下降，當羥基碳納米管的用量是兩份的時候，復(fù)合膜的拉伸強度和斷裂強度達到最大值，當3份時，開始下降。因此，可以得出這樣的結(jié)論，添加適應(yīng)的碳納米管可以增加復(fù)合膜的拉伸強度和斷裂伸長率，但是不能過量，否則容易造成分散的碳納米管分散不均勻，影響復(fù)合膜的伸拉強度。

2.4.2 羥基碳納米管對復(fù)合膜通水量的測試結(jié)果按照實驗要求，0.1MPa壓力下，鑄膜液中，羥基碳納米管用量對復(fù)合膜的影響見表2。

表2 對復(fù)合膜通水量的影響Tab.2 Ettectofwater flow on the compositemembrane

從表2可以看出，羥基碳納米管的用量增加，復(fù)合膜的通稅率也在增長，羥基碳納米管兩份時，它的通水率最大達到了650mL，當碳納米管的數(shù)量達到4份時，通水率不升反降，并趨向緩和。這是由于羥基碳納米管具有親水性的官能團，能改善復(fù)合膜的親水性。根據(jù)膜動力學(xué)，碳納米管的親水性加速了相轉(zhuǎn)化速度，在分相的過程中，溶劑和凝固浴交換過程中，形成了直立排布的結(jié)構(gòu)，從而增了通水率。如果碳納米管繼續(xù)添加，羥基碳納米管電荷相互作用，在轉(zhuǎn)化過程中，部分碳納米管無法直立排布，通水率下降，所以從中得出結(jié)論，適量的羥基碳納米管能增加復(fù)合膜的通水率，但不是越多越好。

2.4.3 截留率測試結(jié)果羥基碳納米管用量對復(fù)合膜的截留率測試結(jié)果見表3。

表3 對復(fù)合膜截留率的影響Tab.3 Influence ofmterception of compositemembrane

從表3可以看出，羥基碳納米管的用量增加，復(fù)合膜的截留率不斷下降，當達到2份時，截留率達到最小值。然后隨著羥基碳納米管用量的增加，截留率穩(wěn)步上升。這是因為羥基碳納米管用量的增加，復(fù)合膜表面的孔徑逐漸增大，截留率也就下降。當碳納米管在一定量的情況下，一部分的碳納米管發(fā)生團聚，堵塞復(fù)合膜的孔隙，復(fù)合膜截留率上升。

2.4.4 復(fù)合膜的抗污染能力測試結(jié)果[3]本次試驗測量復(fù)合膜的抗污染能力，只測量了羥基碳納米管用量2份時結(jié)果見表4。

表4 抗污染能力影響Tab.4 In fluence of anti-pollution ability

從上述實驗結(jié)果，可以得出以下結(jié)論，羥基2份時，聚乙烯醇復(fù)合膜的純聚乙烯醇膜，這說明，羥基碳納米管可以提高膜對蛋白質(zhì)物質(zhì)的抗污染能力。經(jīng)過蒸餾水沖洗的羥基碳納米管的膜并沒有抗污染能力并沒有高于沒有添加羥基碳納米管的膜，我們可以得出以下結(jié)論，羥基碳納米管的加入提高膜的水通性。

［1］張良；碳納米管／聚乙烯醇復(fù)合薄膜的制備及其性能研究［D］.華東理工大學(xué)，2015.

［2］李立；碳納米管分散狀態(tài)對聚乙烯醇薄膜性能的影響［J］.中國科技縱橫，2016（13）.

［3］張巍巍，聚乙烯醇與碳納米管共混體系的薄膜材料制備及其性能研究［D］.蘇州大學(xué).2010.

Preparation of carbonnanotube/poly（vinylalcohol）compositemembrane and its performance study

LIXue-ying,FENG Rui-jun
（Xinjiang Vocational College of Light Industry,Urumqi830021,China）

Carbon nanotubes has good electrical,mechanical and thermal properties.It is a good polymer reinforced material,Its application in compositemembrane,is of great significance to improve the performance of compositemembrane preparation.

carbon nanotubes；poly（vinylalcohol）composite film；performance.

TB383

A

10.16247/j.cnki.23-1171/tq.20170779

2017-03-15

李學(xué)英（1963-），女，副教授，1986年畢業(yè)于新疆師范大學(xué)化學(xué)系，研究方向：高分子材料性能，出版過相關(guān)方面的書籍。