基于高比表面炭黑的聚乳酸静电纺丝复合纤维的制备及其环境应用研究

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本文以高比表面炭黑(C600)及沸石咪唑类金属有机骨架材料(ZIF-8)为原料,通过溶液共沉积的方法将氧化后的C600与ZIF-8杂化制得复合纳米粒子(ZIF-8@C600),以ZIF-8@C600为前驱,采用高温裂解ZIF-8@C600的方法制备了氧化锌(ZnO)与C600的复合材料(ZnO@C600)。以环境友好的聚乳酸(PLA)为基体,分别与C600、ZIF-8@C600及ZnO@C600纳米粒子复合,通过静电纺丝技术制备了PLA/C600、PLA/ZIF-8@C600以及PLA/ZnO@C600系列的复合纤维材料,并对环境污染的处理开展了相关研究。分别探讨了PLA/C600复合纤维对PM2.5的吸附作用,PLA/ZIF-8@C600复合纤维对油污的吸附分离情况以及PLA/ZnO@C600复合纤维对亚甲基蓝(MB)的光催化降解效果,并对相关的性能以及作用机理进行了分析。C600的加入可对PLA纤维的形貌以及亲疏水性能产生一定的影响,使得纤维的直径逐渐增大,疏水性减小。纤维结构的改变增加了纤维与PM2.5粒子间的相互作用(如范德华力、疏水作用、静电作用力及π-π作用),改善了PLA/C600系列复合纤维对PM2.5的吸附过滤能力。0.1 wt%的加入量即可显著提高纯PLA纤维对PM2.5的吸附量,其中,炭黑含量为0.2 wt%时,复合纤维吸附性能最佳,吸附量高达20.5%,比纯PLA纤维高出近3倍,并且PM2.5去除效率可以长时间稳定在97%以上。通过纯化以及氧化处理后的炭黑由于酸和双氧水的刻蚀作用,表面形貌发生变化,使其在甲醇中的分散性得到显著的提高,将氧化炭黑与ZIF-8杂化后得到ZIF-8@C600杂化粒子用于PLA纤维的改性。结果表明:ZIF-8@C600加入可对PLA纤维的直径以及表面孔隙进行调控,减小复合纤维的表面孔隙参数,使得纤维表面粗糙度增加,疏水亲油性能得到改善。当ZIF-8@C600加入1 wt%时,PLA/ZIF-8@C600复合纤维直径最小(7.17μm)、孔隙最大、疏水性最强(134.93°)、吸油量最高(23.3±0.85 g/g)。以ZIF-8@C600为前驱体,将其在700℃下进行煅烧,得到ZnO@C600复合物,由于半导体ZnO在光辐射下,能产生光生电子和空穴,可用于PLA纤维的光催化降解改性。结果显示:含ZnO@C600的PLA复合纤维具有更高的MB催化降解效率,其中,仅加入0.1 wt%的ZnO@C600时,复合纤维的催化降解效率最佳,达66.27%,经5次循环后降解效率仍高于纯PLA纤维。
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