納米碳材料作為填料的分散方法的優(yōu)化

在眾多類型的膜材料中，醋酸纖維素（Cellulose Acetate-CA）是最古老的材料之一，改性后的CA具有生物相容性好、脫鹽性好、電位通量高、韌性好、成本相對較低等特點，使其仍然是一種非常有前景的材料。最近，混合基質膜材料（Mixed Matrix Membrane Materials-MMMS）受到高度重視，這主要歸功于它們在增加機械穩(wěn)定性、較低的塑化和抑制降解等方面的性能改進。納米碳材料作為合適的填料在最終混合基質制備的膜上產(chǎn)生了新的先進性能。碳納米管（CNTs），包括單壁和多壁SWCNTs和MWCNT碳納米管、氧化石墨烯和石墨烯納米板結構（GO，GNPS）目前處于膜技術用填料的第一線，可提高最終膜材料的各項物理化學性能。

本論文使用高純度碳納米管、醋酸纖維素和二丙酮醇制備了混合基質膜，并研究了分散方法（主要是超聲和轉子-定子系統(tǒng)）對混合基質穩(wěn)定性的影響，以及最終膜結構特性的影響。

1.穩(wěn)定性測試原理    

Fig1 Test Principle

使用近紅外光源（或多光源系統(tǒng)）不斷照射整個樣品，在樣品離心加速分離的同時，與光源平行的檢測器隨時間連續(xù)監(jiān)測并反應樣品的透光率變化，從而形成樣品在分離過程的空間和時間透光率圖譜。通過配套的分析軟件，既可定性分析樣品詳細的失穩(wěn)過程，又可對樣品間的不穩(wěn)定性指數(shù)，界面分層，顆粒遷移速度，粒度和分布等進行定量分析和比較。

2.樣品制備和測試條件

2.1樣品制備：圖1是混合基質膜的制備步驟。將醋酸纖維素CA溶解在二丙酮醇DAA中。獲得均勻溶液后，加入多壁碳納米管MWCNTs分散體（分散于DAA連續(xù)相）。研究不同的分散方法對混合基質分散體的穩(wěn)定性研究，以及最終膜材料的物性測試。分別采用了轉子-定子系統(tǒng)(SR-Rotor Stator)和超聲(US-Ultrasonic)實現(xiàn)分散。

Figure 1 Schematic representation of the intermediate steps to be produced mixed matrix membranes ( MMMS )    

Figure 2 Summary of analyzed influencing factors in the parametric study of main dispersion step

圖2給出了主要分散步驟中的分散參數(shù)影響因素。

Table 1. Parameters used for preparation of samples for mechanical analysis

表1給出了用不同分散設備和參數(shù)制備的樣品信息。

2.2 測試條件：LUMiSizer651，NIR870nm，25℃，3000rpm，2.5h

3. 測試結果    

3.1 CA/MWCNTS分散體的穩(wěn)定性測試：

Figure 3 Transmission profiles for representative RS method CA/MWCNTS samples after centrifugation for 2.5 h in LUMiSizer exhibiting no sedimentation or instability .

在圖3中，可以看到使用轉子-定子分散方法的6個代表性樣品的優(yōu)異穩(wěn)定性；消光/透光率分析過程中的光信號在離心2.5小時期間沒有明顯變化，并且所有樣品的分散不穩(wěn)定性指數(shù)在0.004和0.007之間。在這一點上，必須注意的是，低于0.01的值表示長期穩(wěn)定的分散體。

3.2 干燥后膜材料的物性測試：由于篇幅有限，請參考文獻CO2/CH4 and He/N2 Separation Properties and Water Permeability Valuation of Mixed Matrix MWCNTs-Based Cellulose Acetate Flat Sheet Membranes: A Study of the Optimization of the Filler Material Dispersion Method.

4.小結

本文以多壁碳納米管為填料，制備并表征了大量的混合基質醋酸纖維素膜。采用超聲（US）和轉子-定子系統(tǒng)（RS）將納米碳材料分散到DAA溶劑中。對兩種分散技術的許多參數(shù)的影響進行了研究，得出的結論是RS方法似乎是更適合MWCNTS的分散。最新的研究還表明，還可應用三輥機分散方法進一步來進行改進。