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化学镀银聚丙烯腈纳米纤维的制备及性能研究

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摘要

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 静电纺丝

1.2.1 静电纺丝原理

1.2.2 静电纺丝影响因素

1.2.3 静电纺丝研究现状

1.3 纳米纤维金属化

1.3.1 化学镀

1.3.2 共混纺丝纤维金属化

1.4 银纳米纤维材料

1.4.1 银纳米纤维的优异性能

1.4.2 银纳米纤维材料的研究

1.5 本课题的研究目标和工作

第二章 等离子体粗化纳米纤维化学镀银的研究

2.1 引言

2.2 实验部分

2.2.1 实验原料与仪器

2.2.2 实验方法

2.2.3 测试表征

2.3 结果与讨论

2.3.1 化学镀反应的理论基础

2.3.2 等离子体处理对纳米纤维的影响

2.3.3 氯化钯浓度对化学镀效果的影响

2.3.4 化学镀银对纤维的影响

2.4 本章小结

第三章 纺丝液掺杂硝酸银的纳米纤维化学镀研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.2.1 实验原料与仪器

3.2.2 实验方法

3.2.3 测试表征

3.3 结果与讨论

3.3.1 掺杂硝酸银的聚丙烯腈纺丝液浓度的选择

3.3.2 不同量AgNO3掺杂的纳米纤维的形貌

3.3.3 不同量硝酸银掺杂的纳米纤维的还原以及化学镀

3.3.4 pH值对聚丙烯腈纳米化学镀银的影响

3.3.5 络合剂氨水对化学镀银聚丙烯腈纳米纤维的影响

3.4 本章小结

第四章 化学镀银聚丙烯腈纳米纤维的性能研究

4.1 引言

4.2 实验部分

4.2.1 实验原料与仪器

4.2.2 镀银纤维的性能的测试表征

4.3 结果与讨论

4.3.1 化学镀银聚丙烯腈纳米纤维的导电性能

4.3.2 化学镀银聚丙烯腈纳米纤维的抗菌性能

4.3.3 化学镀银聚丙烯腈纳米纤维的抗紫外性能

4.3.4 化学镀银聚丙烯腈纳米纤维的电磁屏蔽性能

4.4 本章小结

第五章 全文总结

参考文献

攻读硕士期间发表论文情况

致谢

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摘要

随着科学技术的发展,对复合纳米纤维的研究越来越受到人们的重视,静电纺丝是一种制备纳米纤维的重要方法,运用化学镀的方法,可以制备出表面金属化的纳米纤维,显著改善纳米纤维的导电性能、电磁屏蔽性能等。化学镀反应不需要外加电流,可以直接利用还原剂将化学镀液中的金属离子还原到具有催化活性的纤维表面,在纤维表面形成牢固的金属镀层。
   本文选取两种方法制备镀银的聚丙烯腈纳米纤维,一种是利用静电纺丝技术制备出了聚丙烯腈纳米纤维,然后利用等离子体粗化、氯化钯活化的预处理之后对纳米纤维进行化学镀银,还有一种方法是利用在聚丙烯腈的纺丝液中掺杂硝酸银,将硝酸银还原为单质银,利用单质银的催化性能在纳米纤维表面进行化学镀银反应。
   首先分析了化学镀银反应能否进行的理论基础,在标准状态下,利用葡萄糖作为还原剂的化学镀银反应的吉布斯自由能改变量△Gθf为-323.65KJ/mol,说明以葡萄糖为还原剂的化学镀银反应是可以自发进行的;此外,从电化学的角度分析,有氨水存在时,化学镀银反应的标准电动势为1.251V,也说明了化学镀银反应是可以自发进行的。
   然后以静电纺丝技术为基础制备出了聚丙烯腈纳米纤维,利用低温氧气等离子体处理为粗化手段,研究了不同粗化工艺对纳米纤维吸附胶体钯的能力以及化学镀银后纳米纤维形貌的影响,当等离子粗化处理的压强为20Pa,功率为40W,处理时间为90S时,粗化纤维表面能够吸附大块团聚状的胶体钯形成催化反应的中心,得到镀层形貌比较好的镀银纳米纤维。当氯化钯浓度为0.2g/L,氯化亚锡16g/L,盐酸150ml/L,温度30℃,时间为5min得到合适的敏化活化工艺。
   同时研究了采用在纺丝液中掺杂硝酸银的方法,利用还原液还原纤维之后,在纤维表面形成单质银,替代传统化学镀中起催化作用的胶体钯,直接在纤维表面进行化学镀银的反应。当纺丝液中聚丙烯腈质量分数为12%时,适合在其中添加不同量的硝酸银进行纺丝,分别添加硝酸银质量分数为2%,4%,6%,8%等,根据还原液还原得到表面覆盖有颗粒状的单质银,在纤维表面进行化学镀银的反应,当纺丝液中掺杂硝酸银的量越多时,得到的镀银纤维膜的形貌越好,导电性能越好。并进一步研究了化学镀银的工艺,讨论了pH值、络合剂氨水的浓度对镀层形貌和导电性能的研究,结果表明:当pH值为13.0时,络合剂氨水的浓度为100ml/L时,能够得到表面形貌较好的镀层,纤维的导电性能也较优。
   进一步地,对上述两种方法制备得到的镀银聚丙烯腈纳米纤维膜的各方面的性能进行了研究,发现镀银后的纤维具有良好的导电性能、抗菌性能、抗紫外性能和电磁波屏蔽性能等。在纺丝液中掺杂硝酸银经还原后化学镀银的纤维膜的各方面性能都是随着纺丝液中掺杂硝酸银的量增加而呈现出逐渐增加的趋势,而且,掺杂8%的硝酸银最后化学镀得到的纤维膜的性能也要明显的优于纯聚丙烯腈粗化敏化之后化学镀银的纳米纤维膜的性能。掺杂8%的硝酸银最后得到的镀银纤维膜的导电性能显著增加,电导率为19×102S·cm-1,对革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌的典型代表大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌率达到了100%,具有非常好的抑菌效果;镀银后纤维的UPF值较大为120以上,远远的超过了50,可以作为纳米级别的“防紫外产品”;在电磁波频率为1000MHz~3000MHz内,电磁屏蔽效能值达到了20dB以上,可以屏蔽超过99.6%的电磁辐射。

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