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碳点功能复合纤维的制备与性能研究

徐玉龙  
【摘要】:硅烷功能化碳点(SiCDs)性能优异,但其单一的存在形式极大地限制了它的应用领域。随着纳米技术的发展,碳点功能化复合纳米纤维的制备与应用成为当前的研究热点。本论文以可控制备高SiCDs含量掺杂的SiO2(SiCDs/SiO2)复合纤维为研究目标,通过优化凝胶时间、醋酸pH和SiCDs浓度等参数,制备了一系列不同SiCDs含量的SiCDs/SiO2复合纤维,并对其应用展开了探索。论文主要研究内容和成果如下:(1)通过结合溶胶-凝胶法和电纺技术成功实现SiO2凝胶纳米纤维的可控制备,通过调控凝胶时间系统地探讨了溶胶的物化性质对电纺纤维性能的影响,并对甲基三乙氧基硅烷(MTES)溶胶的反应机理进行了深入研究。研究结果表明,以乙醇为溶剂,醋酸为催化剂,将MTES、乙醇和水按1:6:5的摩尔比进行混合,经溶胶-凝胶反应后所制备的MTES溶胶具有良好的可纺丝性;随着凝胶时间的增加,溶胶的胶粒粒径、交联程度和粘度逐渐增大,但在酸性催化条件下,MTES水解不完全,形成了交联度较低的线性长链结构,因此溶胶具有极佳的可纺性。(2)通过调节凝胶时间和醋酸pH成功实现SiCDs/SiO2复合溶胶及其电纺纤维的可控制备,并通过优化制备参数,将SiCDs/SiO2纤维中SiCDs浓度提高到30 wt%。此外,详细研究了凝胶时间、醋酸pH和SiCDs含量对SiCDs/SiO2溶胶性质及其电纺纤维性能的影响。研究结果表明,SiCDs/SiO2溶胶具有良好的可纺性,在250-1000 cp范围内可制得形貌良好的SiCDs/SiO2纤维;醋酸pH对溶胶的可纺时间和交联程度以及电纺纤维的形貌、热稳定性和荧光强度具有显著的影响;另外,随着SiCDs含量的提高,SiCDs/SiO2溶胶的可纺时间变短,纤维的疏水性能逐渐提高,热稳定性明显下降。含有20 wt%SiCDs的SiCDs/SiO2纤维荧光性能优异,绝对量子产率高达102.98%。(3)SiCDs/SiO2纤维具有良好的油水分离性能。研究结果表明,纤维膜对多种腐蚀性液体均具有稳定的疏水性能。含有10 wt%SiCDs的SCDs/SiO2纤维的油水分离效率约为98.5%,油通量达854 L·m2·s-1。通过实验充分验证了 SiCDs/SiO2纤维在油水分离方面应用的可行性,为其下一步的工业化发展打下了坚实的基础。(4)采用溶胶-凝胶和电纺技术成功制备得到荧光氧敏感探针RuDPP掺杂的SiCDs/SiO2(Ru@SiCDs)复合纳米纤维膜。研究结果表明,Ru@SiCDs纤维是一种多级孔结构的纳米材料,兼具大孔、介孔和微孔结构,因此氧敏感性能优异,其i0/I100 比值达3.0左右,远高于普通聚合物纤维;纤维膜的荧光氧响应曲线具有良好的线性相关度,经Stern-Volmer方程和Ratiometric方法拟合的相关系数R2分别高达0.995和0.998;利用比值成像方法成功实现Ru@SiCDs纤维膜上氧分压值及其分布的伪彩色成像。因此,这种疏水电纺纤维在食品包装或其它光学氧传感领域有着广阔的应用前景。


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