石墨烯改性熔喷聚丙烯非织造材料的制备及性能

石墨烯改性熔喷聚丙烯非织造材料的制备及性能

目前，有机污染和含油量已成为水体污染的主要来源。这种污染严重影响了生态环境。因此，近年来的新高效含油量已成为研究的重点。熔喷聚丙烯非织造材料具有密度小,油水选择性好、成本低等优点,是一种广泛使用的吸油材料,基于熔喷聚丙烯非织造材料的改性也成为研究热点之一石墨烯的sp本文以BMA功能化GO,将功能化后的GO接枝到亲油疏水的MBPP表面,经过还原反应制得石墨烯改性熔喷聚丙烯非织造材料(RGO-MBPP)。此制备方法在保证石墨烯与基体间结合力的同时,引入聚甲基丙烯酸丁酯亲油基团和石墨烯使有机物附着于聚丙烯纤维表面,可进一步提高对有机物的吸附率,改善MBPP材料的吸油性能。为海上泄漏的原油、工业用废弃有机物和有机污水回收处理等提供一种新途径。1实验部分1.1试剂与仪器熔喷聚丙烯非织造材料(MBPP),天津泰达洁净材料有限公司;甲基丙烯酸丁酯(BMA,AR)、吐温-80(CP),天津市光复精细化工研究所;氧化石墨烯(GO,片层大小0.5~5.0μm),苏州碳丰石墨烯科技有限公司;过氧化苯甲酰(BPO),AR,天津市元立化工有限公司;无水乙醇,AR,天津市风船化学试剂科技有限公司;蒸馏水,实验室自制。S4800冷场发射扫描电子显微镜,日本Hitachi公司;NicoletiS50傅里叶变换红外光谱仪,美国ThermoScientific公司;VarioElcube元素分析仪,德国Elementar公司;XploRAPLUS激光共焦扫描成像拉曼光谱仪,日本Horiba公司。1.2烘干制备将MBPP裁剪成一定尺寸(5cm×5cm),用蒸馏水和无水乙醇交替重复洗涤3次,60℃下烘干备用。采用超声分散制备出GO质量浓度为1.0g/L的溶液,之后加入0.06g引发剂BPO,1.5mL吐温-80,置于60℃恒温磁力搅拌器中反应30min,将3mLBMA单体滴入混合溶液中,放入一片MBPP于60℃和100r/min下反应8h1.3抗坏血酸还原洗涤之后的GO-MBPP表面附着GO,GO的亲水基团对改性材料的油水选择性具有一定干扰,因此用抗坏血酸对氧化石墨烯进行还原。将1.5g抗坏血酸溶解到150mL蒸馏水中,在40℃恒温下,加入一片GO-MBPP反应24h1.4表达形式和结构FTIR:采用傅里叶变换红外光谱仪进行测试,扫描范围为500~3500cm1.5油的饱和吸收率将试样在室温下放入含有30g大豆油的烧杯中,30min后取出,平铺在铁丝网上滴淌5min后迅速称量式中:m1.6压力和称重的影响将试样放入装有30g大豆油的烧杯中,30min后取出,对其分别施加1、2、3、4、5、6kPa的压力,称重。并计算试样在对应压力下的饱和吸油率,从而计算出保油率(E)式中:W1.7饱和吸油率测定将试样放入装有30g大豆油的烧杯中,30min后取出,测得饱和吸油率。将饱和吸附后的试样放入离心管中,以2000r/min的转速离心1min,脱附后称其质量。重复上述步骤5次,比较试样重复使用时饱和吸油率的变化。2结果与讨论2.1rgo-mlpp的结构性能2.1.1傅里叶变换红外光谱结构表征为了分析改性前、后MBPP的化学结构,利用傅里叶变换红外光谱仪对其结构进行表征,结果如图1所示。从图1可以看出,MBPP在1455和1733cm2.1.2go-mbpp还原前后的光谱拉曼光谱是用来观察石墨烯晶体结构变化的一种表征技术,GO-MBPP还原前、后的拉曼光谱图如图2所示。图2中,GO-MBPP的D峰和G峰分别位于1353、1605cm2.1.3sem形貌观察MBPP、RGO-MBPP的SEM图如图3所示。图3a和b分别显示了MBPP改性前、后的微观形貌变化。由图3a可以看出,MBPP纤维表面光滑,无任何附着物。图3b中RGO-MBPP纤维表面粗糙,出现石墨烯片层结构。与以上FTIR、Raman的结果相吻合,说明SEM中片层结构为石墨烯片层。其中,片层结构如图3b白色方框内区域所示。2.2油的饱和燃烧率测试2.2.1rgo-mbpp饱和吸油率测定为探究氧化石墨烯质量浓度对RGO-MBPP饱和吸油率的影响,采用超声分散制备出不同质量浓度(0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2g/L)的GO溶液,实验方法同1.3和1.4小节。饱和吸油率测试结果如图4所示。从图4可以看出,随着氧化石墨烯质量浓度的增加(0.2~1.0g/L),RGO-MBPP的饱和吸油率逐渐提高。这是由于氧化石墨烯质量浓度逐渐增加,石墨烯的附着率也随之提高,因而RGO-MBPP饱和吸油率略有增长。然而,随氧化石墨烯质量浓度的继续升高,石墨烯的附着率趋于饱和,且石墨烯易团聚,所以RGO-MBPP的饱和吸油率呈小幅下降趋势。综上,氧化石墨烯的质量浓度为1.0g/L时,RGO-MBPP饱和吸油率最高,达34.66g/g。2.2.2rgo-mbpp饱和吸油率随bma聚合物的变化考察了BMA体积对RGO-MBPP饱和吸油率的影响,实验方法同1.3和1.5小节,结果见图5。由图5可知,随着BMA体积的增加,RGO-MBPP饱和吸油率呈先上升后下降的趋势。原因是:当BMA用量增加时,石墨烯附着量增加,由于石墨烯所具有的吸油性能使RGO-MBPP饱和吸油率逐渐上升。随着BMA聚合物的负载量增多,BMA聚合物增加了RGO-MBPP纤维之间的粘结,纤维间的孔隙减小,致使饱和吸油率开始下降。由上可知,当BMA加入量为3mL时,RGO-MBPP的饱和吸油率达到峰值为34.66g/g。2.2.3饱和吸油率测定MBPP、GO-MBPP和RGO-MBPP对大豆油的饱和吸油率见表1。由表1可见,MBPP饱和吸油率为29.65g/g、GO-MBPP饱和吸油率为20.94g/g,RGO-MBPP的饱和吸油率34.66g/g。由此可见,GO-MBPP的饱和吸油率相对于MBPP下降了8.71g/g,这是由于氧化石墨烯亲水基团较多所致。然而RGO-MBPP的饱和吸油率相对于MBPP则提高了5.01g/g,这是因为石墨烯具有良好的亲油疏水特性,因而RGO-MBPP的饱和吸油率提高。2.3rgo-mbpp保油率随压力的变化特性MBPP、GO-MBPP与RGO-MBPP在不同压力下的保油率测试结果如图6所示。由图6可知,随着压力的增大,MBPP、GO-MBPP与RGO-MBPP的保油率均逐渐降低。其中,在同一压力下,GO-MBPP保油率低于RGO-MBPP与MBPP的保油率。对于MBPP和RGO-MBPP,当压力为1kPa以下时,RGO-MBPP的保油率略大于MBPP的保油率;但随着压力的逐渐增加,RGO-MBPP的保油率逐渐小于MBPP的保油率。可能是由于反应过程中温度和转速等因素造成RGO-MBPP中MBPP的结构破坏,致使RGO-MBPP的保油率相对于MBPP有所下降。但当压力达到6kPa时,RGO-MBPP保油率仍能达到50%,说明RGO-MBPP在一定压力下仍具有较好的持油性。2.4rgo-mbpp重复使用性能测试MBPP、GO-MBPP与RGO-MBPP重复使用性能测试结果见图7。由图7可知,MBPP、GO-MBPP与RGO-MBPP在4次重复使用过程中各自的饱和吸油率均变化较小,吸油率由强到弱依次为:RGO-MBPP、MBPP、GO-MBPP。其中MBPP使用5次的饱和吸油率分别为29.21、26.23、27.56、28.62、26.17g/g;RGO-MBPP使用5次的饱和吸油率分别为34.39、34.10、34.73、34.29、31.72g/g,可以看出,多次脱附-吸附后,RGO-MBPP的饱和吸油率基本不变且饱和吸油率高于MBPP,表明RGO-MBPP重复使用4次后仍具有良好的吸附性能。以甲基丙烯酸丁酯功能化氧化石墨烯,将功能化后的氧化石墨烯接枝到熔喷聚丙烯非织造材料表面,经还原反应成功制得饱和吸油率高、重复使用性能优异的石墨烯改性熔喷聚丙烯非织造材料RGO-MBPP。吸油性能测试表明:当石墨烯质量浓度为1.0g/L、BMA体积为3mL时,RGO-MBPP的饱和吸油率最高,由MBPP的29.65g/g提高到改性后的34.66g/g。