负载ZnO的聚氨酯/聚砜复合纳米纤维膜的制备及其防水透湿性能研究

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防水透湿膜以其协同防水与透湿功能性的优点已被广泛应用于防护、过滤以及膜蒸馏等领域,根据其固有结构和润湿特性可将防水透湿膜主要分为亲水无孔膜和疏水微孔膜,其中疏水微孔膜的综合性能更优,更具发展前景。目前制备微孔膜的方法有涂膜法、熔喷法、双向拉伸法、静电纺丝法等,其中静电纺丝具有制备工艺简单、膜结构便于调控、易于复合或掺杂等优点,因此静电纺丝已成为一种便捷的手段应用于制备防水透湿微孔膜。聚氨酯(PU)由于大分子链上同时含有亲水和疏水基团以及其出色的力学性能被视为制备防水透湿微孔膜合适的原材料,但是疏水性不足且热稳定性差等缺点限制其进一步的应用。聚砜(PSF)具有良好的耐化学性、机械性能和热稳定性,这使得它在许多领域(如水处理、化学处理、生物医学和反渗透)都有着广泛的应用。因此,本课题将以聚氨酯和聚砜为原材料,采用静电纺丝法制备防水透湿微孔膜,并在此基础上进一步提升其综合性能。首先,课题针对聚氨酯材料存在疏水性和热稳定性不足等缺点,以聚砜为改性剂,采用共混改性的方法,通过静电纺丝技术,制备了复合纳米纤维膜(PU/PSF质量比分别为10:0、9:1、7:3和5:5),考察探究了不同PU/PSF质量比对纳米纤维膜的多孔结构、防水透湿及热力学性能的影响。结果表明,聚砜的引入不仅增强了聚氨酯纤维膜的防水透湿性能,而且进一步增加其热稳定性,其中PU-7/PSF-3复合纳米纤维膜相较于其他纤维膜显示出相对较好的防水透湿性能及热稳定性。然而,其防水性能还有待进一步提高。考虑到纤维膜的防水性能是纤维膜多孔结构与疏水表面的集中体现,因此课题将进一步从优化多孔结构和增强疏水性两个方面入手来改善聚氨酯与聚砜复合膜的防水性能。在本课题中先通过在纤维表面共价键合纳米颗粒来增加表面粗糙度,继而引入低表面能疏水剂来降低表面能,从而实现纤维膜防水性能的提升。在此,课题先通过紫外光引发接枝聚合在PU-7/PSF-3纤维膜表面引入羧基作为活性位点,然后采用水热法制备ZnO纳米颗粒和物理超声的方法制备ZnO@CS纳米颗粒,而后进一步采用化学交联的方法实现ZnO@CS纳米颗粒共价键合到纤维膜的表面,最后通过十六烷基三甲氧基硅烷(HDTMS)进行疏水改性。以上研究表明,当利用2wt%的HDTMS处理复合膜时接触角可达149°,透湿率可达9.6 kg/m-2/d。除此之外,由于ZnO纳米颗粒的引入,纳米纤维膜还具有较优异的光催化活性、抗菌效果与抗紫外性能。因此,PU/PSF-ZnO纳米纤维膜是集多种功能于一体的防水透湿膜,其具有一定的实用价值。
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