阅读说明：本技术 一种高吸咐性、耐高温纳米纤维膜及其制备方法和应用 (High-adsorption and high-temperature-resistant nanofiber membrane as well as preparation method and application thereof ) 是由 刘忠柱 张梦霞 林嘉翔 米立伟 于 2019-11-22 设计创作，主要内容包括：一种高吸咐性、耐高温纳米纤维膜及其制备方法和应用,所述纳米纤维膜为表面均匀覆有一层聚多巴胺颗粒的三维纤维网格结构,厚度约为40-150 μm；纤维的直径分布为100-400 nm,其中80-90 %的纤维直径为分布在100-200 nm,其中聚多巴胺颗粒为多巴胺表面包裹一层碳纳米管的结构。利用多巴胺改性的MWCNTs来改性PAN纳米纤维膜,改性反应的条件不仅简便而且还较为温和,该改性方法避免了单一多巴胺涂覆造成的膜孔堵塞问题以及MWCNTs的分散性问题,并且在MWCNTs自身结构未被破坏情况下赋予PAN纳米纤维膜较高的性能。本发明制备的PAN基复合纳米纤维膜具有吸附性好、耐高温等优点。(A high-adsorption and high-temperature-resistant nanofiber membrane and a preparation method and application thereof are disclosed, wherein the nanofiber membrane is a three-dimensional fiber grid structure with a layer of polydopamine particles uniformly coated on the surface, and the thickness of the nanofiber membrane is about 40-150 mu m; the diameter distribution of the fiber is 100-400nm, wherein 80-90% of the fiber diameter is 100-200 nm, and the polydopamine particle is a structure that a layer of carbon nano tube is coated on the surface of dopamine. The modification method has the advantages that the modification of the PAN nanofiber membrane by the dopamine modified MWCNTs is simple and mild in modification reaction conditions, the problem of membrane pore blockage caused by single dopamine coating and the problem of dispersibility of the MWCNTs are solved, and the PAN nanofiber membrane is endowed with high performance under the condition that the structure of the MWCNTs is not damaged. The PAN-based composite nanofiber membrane prepared by the method has the advantages of good adsorbability, high temperature resistance and the like.)

一种高吸咐性、耐高温纳米纤维膜及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于染料废水处理的膜技术领域，特别是指一种高吸咐性、耐高温纳米纤维膜及其制备方法和应用。

背景技术

膜分离过程是一种无相变的物理筛分过程，物质通过膜孔从膜的一侧转移到另一侧，在该过程中物质尺寸大于膜孔径时将不能通过膜孔，从而实现特定物质的有效截留。与其它分离技术相比，其具有分离效率高、设备简单、操作方便、节能等优点。因此，膜分离技术已经被广泛应用于各种水处理过程，如工业废水处理和市政污水的治理等。

目前为止，膜分离技术在国内水处理方面的应用占到分离膜市场的85％左右，从此可以看出该技术技术在水处理领域中的重要地位。但是，现有的分离膜还存在有耐高温、吸咐量有限等缺陷，对其应用有一定的制约作用。

聚丙烯腈（PAN）是由丙烯腈单体通过自由基聚合反应得到的。PAN具有较高的熔点、耐溶剂性、耐候性、老化性及绝缘性，常被用于废水处理；同时，PAN也具有抗污染、易清洗以及独特的亲-疏水性，非常适合用于染料废水的分离材料。但是，与常用纳米纤维膜相比，PAN纤维比较蓬松、不耐磨及强度较低，从而限制其作为膜材料的应用。基于此，有必要对其进行改性来提高其强度。

多壁碳纳米管（MWCNTs）是一维纳米碳材料，且具有非常大比表面积、长径比并具有超高的强度和韧性、较高的热稳定性等特点，因此，常被用来作为聚合物的增强材料。同时，MWCNTs特殊的管状结构使其具有快速的物质运输特性和良好的吸附性能，该特性使其在膜分离领域受到了广泛关注。但是，MWCNTs极易团聚，在聚合物中的分散性很差。因此，需要通过对MWCNTs进行表面改性，以发挥其本身优良的性能。

多巴胺是一种海洋贻贝类生物足丝分泌的黏液物质，该黏液在有机材料和无机材料表面都能实现很好的黏附。同时，多巴胺还具有自聚涂覆等功能。因此，常常用于碳纳米材料、聚合物、氧化物等。

静电纺丝技术是利用聚合物溶液或熔体在静电作用下进行喷射拉伸而获得连续性纤维（无纺布）的方法。该技术能制得直径在几纳米到几十纳米之间的纤维膜，并且静电纺纤维膜具有孔隙率高、比表面积大、吸附性和过滤性强等优点，被广泛应用于过滤材料、超疏水和超吸水材料等领域。

发明内容

本发明提出一种高吸咐性、耐高温纳米纤维膜及其制备方法和应用，该制备工艺简单，操作方便、设备要求低，所制备的纤维膜具有良好的热稳定性和高吸咐性等。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种高吸咐性、耐高温纳米纤维膜，所述纳米纤维膜为表面均匀覆有一层聚多巴胺颗粒的三维纤维网格结构，厚度约为40-150 μm；纤维的直径分布为100-400 nm，其中80-90 %的纤维直径为分布在100-200 nm，其中聚多巴胺颗粒为多巴胺表面包裹一层碳纳米管的结构。

所述的高吸咐性、耐高温纳米纤维膜的制备方法，步骤如下：

（1）PAN纺丝液的配制：将PAN粉末加入溶剂中，恒温磁力搅拌至完全溶解，然后再常温搅拌，置于真空环境中，脱去纺丝液中的气泡得PAN纺丝液；

（2）PAN纳米纤维膜的制备：用注射器吸PAN纺丝液，排除气泡后进行静电纺丝得静电纺丝膜，于真空干燥箱中处理4h，得PAN纳米纤维膜；

（3）弱碱缓冲液的配制：取三羟甲基氨基甲烷加入无水甲醇溶液中，搅拌至溶解，再加入蒸馏水摇匀，之后逐滴加入HCl溶液，得pH值为8-9的弱碱缓冲液；

（4）多巴胺改性MWCNTs：向步骤（3）得到的弱碱缓冲液中加入MWCNTs，超声后再加入多巴胺，常温搅拌至均匀，得改性溶液；

（5）PAN纳米纤维膜改性：将步骤（2）得到的PAN纳米纤维膜浸泡入步骤（4）的改性溶液中，于室温下超声吸附，烘干即得高吸咐性、耐高温纳米纤维膜。

所述步骤（1）中PAN纺丝液中PAN粉末的质量浓度为10-15%，溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、N,N-二甲基甲酰胺与丙酮的混合溶剂或N,N-二甲基乙酰胺与丙酮的混合溶剂。

所述步骤（1）中恒温磁力搅拌的温度为60-80 ℃、时间为2-3h；常温搅拌的时间为12h。

所述步骤（2）中静电纺丝的条件为电压16-18 kV、接收距离15-20 cm、注射速率为0.6-1.2 mL/h、纺丝时间为2-10 h。

所述步骤（3）中HCl溶液的浓度为0.1 mol/L。

所述步骤（4）中MWCNTs与多巴胺的质量比为（1-2）:1。

所述步骤（5）中浸泡时间10-12 h，超声时间为60-90 min。

所述的高吸咐性、耐高温纳米纤维膜作为染料废水处理吸附膜的应用。

本发明具有以下有益效果：

（1）该制备工艺简单，对设备要求低，并且静电纺丝PAN纳米纤维膜具有比表面积大、孔隙率高和孔径分布均匀等特点，加之PAN本身又具有抗污染以及独特的亲疏水性性能，因此，PAN纳米纤维膜非常适合用作染料废水的分离材料。另外，MWCNTs具有独特的一维管状结构和表面活性官能团，因此是一种优良的吸附剂，同时其表面由sp²杂化产生的离域电子能够和含有苯环的有机染料以π-π键相结合，从面表现出更强的染料吸附作用。

（2）利用多巴胺改性的MWCNTs来改性PAN纳米纤维膜，改性反应的条件不仅简便而且还较为温和，同时，该改性方法避免了单一多巴胺涂覆造成的膜孔堵塞问题以及MWCNTs的分散性问题，并且在MWCNTs自身结构未被破坏情况下赋予PAN纳米纤维膜较高的性能。

（3）聚多巴胺存在大量的羟基和氨基等功能性基团，该基团可以显著提高膜的亲水性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为实施例1制备得到的PAN纳米纤维膜SEM和其纤维直径分布以及PDA改性后PAN/PDA纳米纤维膜形貌图。

图2为利用实施例1制备得到的纤维膜来进行吸附实验，最终所得的紫外光谱曲线:（a）MB溶液和不同碳纳米管含量改性PAN纤维膜吸附MB溶液后的紫外光谱曲线和（b）不同吸附时间的紫外光谱曲线。

图3为利用实施例1制备得到纯PAN基纳米纤维膜和不同含量碳纳米管改性PAN/PDA纳米纤维膜的TGA曲线。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本实施例的高吸附、耐高温微孔膜的制备方法，步骤如下：

（1）PAN纺丝液的配制：称取1 g PAN粉末加入到10 mL的DMF中，在上述溶液中放入一个磁子并用保鲜膜封口，将其置于60 ℃的恒温磁力搅拌器上搅拌2 h使PAN完全溶解。随后，将上述溶液移至常温六联磁力搅拌器上再常温搅拌12 h，配置出浓度为10 %的均匀纺丝液。最后，将上述均匀的纺丝液在真空环境中静置一段时间，脱去纺丝液中的气泡；

（2）PAN纳米纤维膜的制备：将步骤（1）的静置脱泡后的纺丝液吸入注射器中，并排除其内部气泡后固定于注射泵上进行静电纺丝。纺丝工艺条件为：纺丝电压18 kV，纺丝接收距离15 cm，纺丝速率1 mL/h，纺丝时间2 h。并在真空干燥箱中将其干燥4 h，以使溶剂完全挥发，保存待用。

（3）弱碱缓冲液的配制：首先，取一定量的浓盐酸，配成浓度为0.1mol/L的HCl溶液，备用；用电子天平分别称取一定质量的三羟甲基氨基甲烷（Tris）及量筒量取的一定量无水甲醇溶液，放入烧杯中，不断搅拌至三羟甲基完全溶解。向烧杯中加适量蒸馏水摇匀，并向烧杯中逐滴滴入0.1 mol/L的HCl溶液至pH值为8.51的缓冲液。

（4）多巴胺改性MWCNTs：分别称取0.1g和0.2g的MWCNTs分别加入步骤（3）中所配制的三组缓冲溶液中，并超声60 min。然后向其中加入0.1g多巴胺（DA），在常温下搅拌12小时。

（5）PAN纳米纤维膜改性：最后将步骤（2）中所制备的两组固定面积PAN纳米纤维膜分别浸入步骤（4）所得两组溶液中进行比对，在室温下进行超声吸附60 min和浸泡12 h取出，并烘干。

本实施例制备得到的PAN纳米纤维膜SEM和其纤维直径分布以及DA改性后PAN/PDA纳米纤维膜形貌图如图1所示。从图1a中可以看出，电纺PAN复合纳米纤维膜呈现具有大量孔洞的三维网络结构，并且几乎没有串珠状纤维出现。另外，纤维分布均匀，纤维的直径分布为100-400 nm，而85 %左右的纤维其直径为分布在100-200 nm之间，并且从SEM图中还可以发现弯曲的纤维数量极少。从图1b中可以看出，由于多巴胺自聚作用，在PAN纤维膜表面形成了一层均匀的聚多巴胺颗粒层。并且从局部放大区域可以发现，每个聚多巴胺颗粒由碳纳米管缠结包裹而成。

本实施例制备得到的PAN及其PDA改性纤维膜进行吸附实验，随后对MB溶液和纤维膜吸附后的溶液进行紫外光谱测试，所得结果如图2所示。亚甲基蓝（MB）的特征吸收峰位于665 nm处，紫外光谱曲线中，665 nm处特征峰强度可以定性表示溶液中亚甲基蓝含量。由图2a可知，MB溶液的特征峰强度最大，PAN纳米纤维膜吸附40 min后特征峰强度明显减弱。与之相比，利用多巴胺和碳纳米管改性的PAN纤维膜吸附后特征峰强度持续减弱，并且该趋势与碳纳米管含量呈线性变化，这是因为碳纳米管本身具有较强的吸附染料的作用，加入碳纳米管提高了纤维对MB的吸附作用。从图2b中可以看出，随着吸附时间的增加，亚甲基蓝特征峰的强度逐渐变弱，说明在达到吸附平衡以前MB染料逐渐聚集吸附于PAN纳米纤维表面。

本实施例制备得到的纯PAN基纳米纤维膜和不同含量碳纳米管改性PAN/PDA纳米纤维膜的TGA曲线如图3所示。从图中发现，与PAN纤维膜相比，随着碳纳米管含量的增加，PAN改性纤维膜的降解速率逐渐减慢，热稳定性相对提高。

实施例2

本实施例的高吸附、耐高温微孔膜的制备方法，步骤如下：

（1）PAN纺丝液的配制：称取1.5 g PAN粉末加入到10 mL的DMF中，在上述溶液中放入一个磁子并用保鲜膜封口，将其置于70 ℃的恒温磁力搅拌器上搅拌2 h使PAN完全溶解。随后，将上述溶液移至常温六联磁力搅拌器上再常温搅拌12 h，配置出浓度为10 %的均匀纺丝液。最后，将上述均匀的纺丝液在真空环境中静置一段时间，脱去纺丝液中的气泡；

（2）PAN纳米纤维膜的制备：将步骤（1）的静置脱泡后的纺丝液吸入注射器中，并排除其内部气泡后固定于注射泵上进行静电纺丝。纺丝工艺条件为：纺丝电压16 kV，纺丝接收距离15 cm，纺丝速率1 mL/h，纺丝时间2 h。并在真空干燥箱中将其干燥4 h，以使溶剂完全挥发，保存待用。

（3）弱碱缓冲液的配制：首先，取一定量的浓盐酸，配成浓度为0.1mol/L的HCl溶液，备用；用电子天平分别称取一定质量的三羟甲基氨基甲烷（Tris）及量筒量取的一定量无水甲醇溶液，放入烧杯中，不断搅拌至三羟甲基完全溶解。向烧杯中加适量蒸馏水摇匀，并向烧杯中逐滴滴入0.1 mol/L的HCl溶液至pH值为8的缓冲液。

（4）多巴胺改性MWCNTs：分别称取0.1 g和0.2 g的MWCNTs分别加入步骤（3）中所配制的三组缓冲溶液中进行比对，并超声60 min。然后向其中加入0.1 g多巴胺（DA），在常温下搅拌12小时。

（5）PAN纳米纤维膜改性：最后将步骤（2）中所制备的部分PAN纳米纤维膜浸入步骤（4）所得溶液中，在室温下进行超声吸附60 min和浸泡12 h取出，并烘干。

实施例3

本实施例的高吸附、耐高温微孔膜的制备方法，步骤如下：

（1）PAN纺丝液的配制：称取1.3 g PAN粉末加入到10 mL的DMF中，在上述溶液中放入一个磁子并用保鲜膜封口，将其置于80 ℃的恒温磁力搅拌器上搅拌2 h使PAN完全溶解。随后，将上述溶液移至常温六联磁力搅拌器上再常温搅拌12 h，配置出浓度为10 %的均匀纺丝液。最后，将上述均匀的纺丝液在真空环境中静置一段时间，脱去纺丝液中的气泡；

（2）PAN纳米纤维膜的制备：将步骤（1）的静置脱泡后的纺丝液吸入注射器中，并排除其内部气泡后固定于注射泵上进行静电纺丝。纺丝工艺条件为：纺丝电压16 kV，纺丝接收距离15 cm，纺丝速率0.8 mL/h，纺丝时间2 h。并在真空干燥箱中将其干燥4 h，以使溶剂完全挥发，保存待用。

（3）弱碱缓冲液的配制：首先，取一定量的浓盐酸，配成浓度为0.1mol/L的HCl溶液，备用；用电子天平分别称取一定质量的三羟甲基氨基甲烷（Tris）及量筒量取的一定量无水甲醇溶液，放入烧杯中，不断搅拌至三羟甲基完全溶解。向烧杯中加适量蒸馏水摇匀，并向烧杯中逐滴滴入0.1 mol/L的HCl溶液至pH值为8.51的缓冲液。

（4）多巴胺改性MWCNTs：分别称取0.1g和0.2g的MWCNTs分别加入步骤（3）中所配制的三组缓冲溶液中进行比对，并超声60 min。然后向其中加入0.1 g多巴胺（DA），在常温下搅拌12小时。

（5）PAN纳米纤维膜改性：最后将步骤（2）中所制备的部分PAN纳米纤维膜浸入步骤（4）所得溶液中，在室温下进行超声吸附60 min和浸泡12 h取出，并烘干。

实施例4

本实施例的高吸附、耐高温微孔膜的制备方法，步骤如下：

（1）PAN纺丝液的配制：称取1 g PAN粉末加入到10 mL的DMF中，在上述溶液中放入一个磁子并用保鲜膜封口，将其置于60 ℃的恒温磁力搅拌器上搅拌2 h使PAN完全溶解。随后，将上述溶液移至常温六联磁力搅拌器上再常温搅拌12 h，配置出浓度为10 %的均匀纺丝液。最后，将上述均匀的纺丝液在真空环境中静置一段时间，脱去纺丝液中的气泡；

（2）PAN纳米纤维膜的制备：将步骤（1）的静置脱泡后的纺丝液吸入注射器中，并排除其内部气泡后固定于注射泵上进行静电纺丝。纺丝工艺条件为：纺丝电压16 kV，纺丝接收距离15 cm，纺丝速率1 mL/h，纺丝时间4 h。并在真空干燥箱中将其干燥4 h，以使溶剂完全挥发，保存待用。

（3）弱碱缓冲液的配制：首先，取一定量的浓盐酸，配成浓度为0.1mol/L的HCl溶液，备用；用电子天平分别称取一定质量的三羟甲基氨基甲烷（Tris）及量筒量取的一定量无水甲醇溶液，放入烧杯中，不断搅拌至三羟甲基完全溶解。向烧杯中加适量蒸馏水摇匀，并向烧杯中逐滴滴入0.1 mol/L的HCl溶液至pH值为9的缓冲液。

（4）多巴胺改性MWCNTs：分别称取0.1g和0.2g的MWCNTs分别加入步骤（3）中所配制的三组缓冲溶液中进行比对，并超声60 min。然后向其中加入0.1g多巴胺（DA），在常温下搅拌12小时。

（5）PAN纳米纤维膜改性：最后将步骤（2）中所制备的部分PAN纳米纤维膜浸入步骤（4）所得溶液中，在室温下进行超声吸附60 min和浸泡12 h取出，并烘干。

实施例5

本实施例的高吸附、耐高温微孔膜的制备方法，步骤如下：

（1）PAN纺丝液的配制：称取1.1 g PAN粉末加入到10 mL的DMF中，在上述溶液中放入一个磁子并用保鲜膜封口，将其置于75 ℃的恒温磁力搅拌器上搅拌2 h使PAN完全溶解。随后，将上述溶液移至常温六联磁力搅拌器上再常温搅拌12 h，配置出浓度为10 %的均匀纺丝液。最后，将上述均匀的纺丝液在真空环境中静置一段时间，脱去纺丝液中的气泡；

（2）PAN纳米纤维膜的制备：将步骤（1）的静置脱泡后的纺丝液吸入注射器中，并排除其内部气泡后固定于注射泵上进行静电纺丝。纺丝工艺条件为：纺丝电压18 kV，纺丝接收距离20 cm，纺丝速率1.0 mL/h，纺丝时间2 h。并在真空干燥箱中将其干燥4 h，以使溶剂完全挥发，保存待用。

（3）弱碱缓冲液的配制：首先，取一定量的浓盐酸，配成浓度为0.1mol/L的HCl溶液，备用；用电子天平分别称取一定质量的三羟甲基氨基甲烷（Tris）及量筒量取的一定量无水甲醇溶液，放入烧杯中，不断搅拌至三羟甲基完全溶解。向烧杯中加适量蒸馏水摇匀，并向烧杯中逐滴滴入0.1 mol/L的HCl溶液至pH值为8.51的缓冲液。

（4）多巴胺改性MWCNTs：分别称取0.1g和0.2g的MWCNTs分别加入步骤（3）中所配制的三组缓冲溶液中进行比对，并超声60 min。然后向其中加入0.1 g多巴胺（DA），在常温下搅拌12小时。

（5）PAN纳米纤维膜改性：最后将步骤（2）中所制备的部分PAN纳米纤维膜浸入步骤（4）所得溶液中，在室温下进行超声吸附60 min和浸泡12 h取出，并烘干。

实施例6

本实施例的高吸附、耐高温微孔膜的制备方法，步骤如下：

（1）PAN纺丝液的配制：称取1.4 g PAN粉末加入到10 mL的DMF中，在上述溶液中放入一个磁子并用保鲜膜封口，将其置于60 ℃的恒温磁力搅拌器上搅拌2 h使PAN完全溶解。随后，将上述溶液移至常温六联磁力搅拌器上再常温搅拌12 h，配置出浓度为10 %的均匀纺丝液。最后，将上述均匀的纺丝液在真空环境中静置一段时间，脱去纺丝液中的气泡；

（2）PAN纳米纤维膜的制备：将步骤（1）的静置脱泡后的纺丝液吸入注射器中，并排除其内部气泡后固定于注射泵上进行静电纺丝。纺丝工艺条件为：纺丝电压18 kV，纺丝接收距离20 cm，纺丝速率0.8 mL/h，纺丝时间2 h。并在真空干燥箱中将其干燥4 h，以使溶剂完全挥发，保存待用。

（3）弱碱缓冲液的配制：首先，取一定量的浓盐酸，配成浓度为0.1mol/L的HCl溶液，备用；用电子天平分别称取一定质量的三羟甲基氨基甲烷（Tris）及量筒量取的一定量无水甲醇溶液，放入烧杯中，不断搅拌至三羟甲基完全溶解。向烧杯中加适量蒸馏水摇匀，并向烧杯中逐滴滴入0.1 mol/L的HCl溶液至pH值为8.51的缓冲液。

（4）多巴胺改性MWCNTs：分别称取0.1g和0.2g的MWCNTs分别加入步骤（3）中所配制的三组缓冲溶液中进行比对，并超声60 min。然后向其中加入0.1 g多巴胺（DA），在常温下搅拌12小时。

（5）PAN纳米纤维膜改性：最后将步骤（2）中所制备的部分PAN纳米纤维膜浸入步骤（4）所得溶液中，在室温下进行超声吸附60 min和浸泡12 h取出，并烘干。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。