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低温等离子体引发丙烯酸在PET纳米纤维膜上的接枝聚合研究

作者:完美论文网  来源:www.wmlunwen.com  发布时间:2016/6/23 16:15:43  

1实验部分

1.1原料及仪器

PET,辽阳石化公司提供;丙烯酸(AA),化学纯,北京化学试剂公司,减压蒸馏;无水乙醇,化学纯,北京化学试剂公司;三氟乙酸,分析纯,济南万兴达化工有限公司;二氯甲烷,分析纯,北京益利精细化学品有限公司。

静电纺丝仪:KH1003型静电纺丝仪。

等离子体处理仪:DT-02型低温等离子体处理仪,苏州奥米格机电科技有限公司。

1.2PET纳米纤维膜的制备

(1)配制质量分数为15%的PET纺丝溶液,溶剂采用三氟乙酸和二氯甲烷为9∶1(体积比)的混合溶剂,放置在磁力搅拌器上均匀搅拌24h至混合均匀。

(2)采用静电纺丝仪,设置纺丝电压25kV,接收距离15cm,溶液推进速度0.003mm/s,制备纤维形态均匀的PET纳米纤维薄膜。

1.3气相低温等离子体接枝处理

(1)将离子体处理仪连通低温等离子体汽化仪,将AA倒入汽化仪装料腔中,旋紧加料盖,接好汽化仪与等离子体处理仪间的输气管,设定液体加热温度和管线保温温度(液体加热温度为30℃,管线保温温度为35℃),开启电源,预热5min,等待接枝。

(2)将PET纤维膜放置在等离子体处理仪的处理腔中,关紧腔门。设置AA的气体流量为3L/min,抽真空至60Pa后设置放电时间、放电功率,低温等离子体接枝处理,得到气相低温等离子体处理后的PET纤维薄膜。

1.4测试表征

采用德国KRUSSDSA100,测试低温等离子处理后PET薄膜的水接触角变化;利用德国BrukerOPTIKGMBH公司生产的TENSOR27红外光谱仪,对改性前后PET薄膜表面进行全反射红外光谱分析;PET纤维的形态由日本日立公司的HitachiS-4700型扫描电子显微镜进行观测;将PET薄膜裁成长20mm、宽4mm的拉伸样条,使用美国Instro-1185拉力试验机测试PET薄膜的力学性能。

2结果与讨论

2.1接枝聚合条件对薄膜亲水性的影响

气相低温等离子体接枝过程中,放电功率和放电时间是决定接枝效果的主要因素,因此考察了这两个因素对PET薄膜亲水性的影响。

2.1.1放电时间的影响

设置放电功率为150W,AA气体流入量为3L/min,体系真空度为60Pa,分别设置放电时间为15s、30s、45s和60s,考察气相低温等离子接枝时间对水接触角的影响,结果见表1。

从表1可以看出,未处理过的PET纤维膜测得的水接触角为134.1°,说明未处理过的PET纤维膜是疏水性的。当接枝处理时间为15s时,水接触角降低到了79.4°,说明了在接枝时间为15s时,已经有少量的丙烯酸单体发生了接枝,薄膜的表面亲水性能有所提高;当接枝时间至30s时,薄膜的水接触角变为0°,意味着薄膜此时呈润湿状态,水滴会迅速浸润到薄膜表面。这说明随着接枝时间的延长,更多的AA单体接枝到了PET纤维的表面上去,PET薄膜表面上—COOH数量增多,基本覆盖了PET膜的整个表面,因此原来的疏水性表面转变成了亲水性表面;当接枝时间延长至45s和60s后,纤维薄膜的水接触角数值均为0°。因为接枝时间为30s时,—COOH已经覆盖了PET膜的表面,因此随着接枝时间的增加,薄膜表面亲水性不会再发生改变。图1为水滴在接枝30s后的薄膜表面的铺展过程图,可以清楚看到水滴的润湿过程。

2.1.2放电功率的影响

设定放电时间60s、AA气体流入量3L/min,放电时的真空度60Pa左右,选定放电功率分别为75W、100W、125W和150W,考察放电功率对薄膜亲水性的影响,实验结果见表2。

从接枝情况可以看出,放电功率的影响不明显。在选择的4个功率下,PET薄膜的亲水性能都得到了显著提高,水接触角测试显示液滴快速渗入到了PET薄膜中。在低温等离子体接枝处理过程中,放电功率产生的能量诱导形成活性自由基,这些活性自由基与丙烯酸单体反应,接枝到了PET纤维表面。从上述数据结果说明,75W放电功率能量产生了足够的活性自由基和保障了接枝过程的顺利进行。

2.2红外光谱图

为证明AA接枝在PET纤维表面,将PET薄膜做ATR-FTIR测试分析,见图2,曲线1为未处理PET薄膜的光谱图;曲线2是经气相低温等离子体处理后的光谱图。从红外光谱中可以看出,图中725cm−1附近为亚甲基长链的吸收峰,800cm−1附近为苯环的吸收峰,1100cm−1附近的吸收峰为—CO—在指纹区的吸收峰和苯环中—H的吸收峰,1200cm−1附近为—C—O—C—的振动吸收峰,1600~1700cm−1附近的吸收峰为苯环双键的振动吸收峰和—CO—的伸缩振动吸收峰。可以看出,处理后的PET薄膜与处理之前的相比,在3400~3500cm−1附近有明显的吸收峰,也就是接枝在PET薄膜上丙烯酸单体羧基中的—OH的吸收峰。由于在低温等离子体接枝过程中,丙烯酸单体的接枝量一般很少[11],因此,红外谱图中—OH的吸收峰面积较小。

2.3纤维形态

等离子处理后,纤维形貌有可能发生变化。将真空度60Pa下、放电功率150W、放电时间60s,AA气体流入量3L/min条件下处理后的PET纤维薄膜做SEM测试,结果见图3。图3中(a)、(b)图依次为未处理、处理后薄膜的SEM照片。可以看出,未处理的PET纤维表面光滑,经过气相低温等离子接枝处理的纤维形态完好,没有受到任何刻蚀和黏结,纤维分布均匀,与未处理的薄膜纤维相比没有明显变化。

2.4拉伸测试

通过拉伸测试,分析接枝处理对纤维拉伸性能的影响。真空度60Pa、放电功率150W、放电时间60s、AA气体流入量3L/min条件下接枝后薄膜的应力-应变曲线见图4。

从图4中两条曲线的对比中可以看出,气相低温等离子体接枝处理后,薄膜的断裂伸长率和断裂强度都得到了提高。提高的原因可能有以下几个方面:①等离子处理过程没有影响薄膜形貌,纤维表面没有受到刻蚀;②气相聚合表面会产生交联结构[4];③处理后的纤维因为接枝聚丙烯酸,分子链之间化学键的作用变强。这三方面的改变使处理后的PET薄膜抗拉性能有较大幅度的提高。

3结论

本代写论文采用的气相等离子接枝处理PET纳米纤维薄膜可以有效地提高薄膜表面的亲水性能,同时纤维形态保持完整,是一种高效的薄膜表面改性方法,在过滤等领域具有较高的应用价值。更为重要的是,经过接枝处理后,聚酯纤维膜本体的力学性能没有受到影响,而由于表面接枝使薄膜的拉伸强度明显增强,这对纳米PET纤维膜的应用具有重要意义。本代写论文中的气相低温等离子接枝处理技术有望成为改性静电纺丝膜的有效方法。

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