PAN多孔纳米纤维的制备及其吸附性能研究

迟长龙，王 娜，杨小慧，尚雨婷

(河南工程学院 材料与化学工程学院，河南 郑州 450007)



PAN多孔纳米纤维的制备及其吸附性能研究

迟长龙，王 娜，杨小慧，尚雨婷

(河南工程学院 材料与化学工程学院，河南 郑州 450007)

以聚丙烯腈(PAN)为原料，以聚乙二醇(PEG)为造孔剂，通过静电纺丝制成PAN/PEG复合纳米纤维，再经水洗去除纤维中的PEG成分制备出PAN多孔纳米纤维。采用傅里叶变换红外光谱仪、扫描电子显微镜、比表面孔径测定仪、分光光度计分别对PAN多孔纳米纤维的结构、形貌、比表面积及吸附性能进行了表征。结果表明：PAN/PEG复合纳米纤维中两组分呈微观相分离状态，通过水洗可去除PEG组分制得PAN多孔纳米纤维；PAN多孔纳米纤维的直径随PEG含量及相对分子质量的增加而减小，而比表面积、孔体积以及吸附能力随PEG含量及相对分子质量的增加而增大。

聚丙烯腈纤维 聚乙二醇 静电纺丝 多孔纳米纤维 吸附性能

近些年来，全球环境污染日益严重，大气污染和水污染尤为突出，严重影响着人类的身体健康和生活。多孔纳米纤维因大量的微小孔存在纤维表面或内部造成纤维的比表面积增大，从而提高了纤维的吸附性能，使多孔纳米纤维在处理水污染和大气污染方面有着极其优良的作用。以多孔纳米纤维为原材料纺制成的薄膜材料，能够有效地过滤和吸附污水中的许多有害物质，从而可以净化污水[1-3]。

目前，静电纺丝是能够用来制备多孔纳米纤维最直接、最实用的方法。采用静电纺丝法制备多孔纳米纤维的方法通常为先通过静电纺丝技术制备出聚合物复合纳米纤维，然后再通过溶剂去除其中一种成分得到多孔纳米纤维[4]。李新松等[5]采用电纺法首先制备出聚丙烯腈/聚乙烯吡咯烷酮(PAN/PVP)超细复合纤维，然后利用PVP易溶于水的特点沥滤洗出PVP制备出PAN多孔纤维，所得多孔纤维的比表面积高达70 m2/g。Zhang Lifeng等[6]将PAN与聚氧化乙烯(PEO)共混后通过静电纺丝技术制备出PAN/PEO纳米纤维，然后通过水洗去除PEO，制备出比表面积可达46.8 m2/g的多孔纳米纤维。

作者以PAN为原料，以不同相对分子质量的聚乙二醇(PEG)为造孔剂，通过静电纺丝制成PAN/PEG复合纳米纤维，再经水洗去除纤维中的PEG成分制备出PAN多孔纳米纤维，研究了PEG的相对分子质量及添加量对PAN多孔纳米纤维吸附性能的影响。

1 实验1.1 原料及仪器

1.1.1 原料

1.1.2 实验仪器

KH-2型静电纺丝机：北京康森特科技公司制；KQ-100E型超声波清洗器：昆山市超声仪器有限公司制；DZF-6020型真空干燥箱：上海科学仪器有限公司制；Nicolet iS5型傅里叶变换红外光谱仪：美国Thermo公司制；Quanta 250型扫描电子显微镜：捷克FEI公司制；2QDS-MP-30型比表面孔径测定仪：美国康塔仪器公司制；751GD型紫外可见分光光度计：杭州汇尔仪器设备有限公司制。

1.2 PAN多孔纳米纤维的制备

1.2.1 纺丝溶液的制备

溶液编号MwPEG质量分数，%180005280001038000154800020520001562000015

1.2.2 PAN/PEG复合纳米纤维的制备

1.2.3 PAN多孔纳米纤维的制备

将静电纺丝制得的PAN/PEG复合纳米纤维在真空干燥箱中干燥24 h至恒重，取出后称量每一个试样的质量。然后将其浸渍在70 ℃的去离子水中超声水洗至少10 min以去除其中的PEG组分，得到PAN多孔纳米纤维。之后用抽滤装置进行抽滤，再在真空干燥箱中干燥24 h，取出后称量水洗后纤维的质量，从而可以得出PEG的洗出率。1～6号纺丝溶液所得PAN多孔纳米纤维试样分别标记为1#～6#，见表2。复合纳米纤维试样中PEG的洗出率均达到99%以上，说明复合纳米纤维中的PEG已经基本洗净。

试样PEG洗出率，%1#99．962#99．783#99．874#99．815#99．686#99．87

1.3 分析与测试

傅里叶变换红外光谱(FTIR)：将PAN纤维、PEG纤维及PAN/PEG复合纳米纤维粉碎成粉末，用KBr压片，然后采用Nicolet iS5型傅里叶变换红外光谱仪对纤维粉末进行测试。

吸附性能：首先分别配制3，6，12，20 mg/L的亚甲基蓝溶液200 mL，各取3 mL至比色皿中，采用紫外可见分光光度计于665 nm测定各溶液的吸光度，绘制浓度-吸光度的标准曲线；然后，取6组6 mg/L的亚甲基蓝溶液各30 mL，分别加入所纺制的纤维试样，静态吸附1 h，取上层清液测试吸光度(测试方法与标准曲线测定相同)，根据标准曲线确定吸附后溶液浓度。按照式(1)计算PAN多孔纳米纤维膜对亚甲基蓝的吸附量(Q)。

Q=(C0-Ct)V/m

(1)

式中：m为试样质量；V为溶液体积；C0和Ct分别代表起始和吸附一定时间后溶液的浓度。

比表面积及孔径分布：取一定质量的纤维试样在300 ℃下抽气24 h以上，使试样的空隙处于真空状态。然后采用2QDS-MP-30比表面孔径测试仪对试样的比表面积及孔隙度进行测试，记录试样的氮气等温吸附-脱附曲线。

扫描电镜(SEM)观察：采用Quanta 250型扫描电子显微镜观察PAN多孔纳米纤维形貌。

2 结果与讨论

2.1 FTIR分析

图1 不同纤维试样的FTIRFig.1 FTIR spectra of fiber samples1—纯PAN纤维；2—PAN/PEG复合纳米纤维；3—纯PEG纤维

2.2 纤维形貌分析

图2 PAN多孔纳米纤维膜的SEM照片Fig.2 SEM images of PAN porous nanofiber membranes

2.3 纤维的比表面积及孔体积

图3 PAN多孔纳米纤维膜的氮气等温吸附-脱附曲线Fig.3 Adsorption-desorption isothermal curves of PAN porous nanofiber membranes■—1#；●—2#；▲—3#；▼—4#；◀—5#；▶—6#

Tab.3 Specific surface area and pore volume of PAN porous nanofibers

试样Stotal/(m2·g-1)Smic/(m2·g-1)Vtotal/(cm3·g-1)Vmic/(cm3·g-1)1#4．9451．8400．0100．0012#5．1270．3710．0150．0003#5．7000．0000．0190．0004#6．0911．9680．0310．0015#3．3713．0800．0170．0016#7．2851．9170．0380．001

2.4 纤维的吸附性能

表4 PAN多孔纳米纤维的吸附性能

Tab.4 Adsorption property of PAN porous nanofibers

试样Q/(mg·g-1)1#0．0452#0．0603#0．1154#0．1605#0．1056#0．190

3 结论

a. 采用静电纺丝技术纺制出PAN/PEG复合纳米纤维，通过水洗去除PEG成分，成功制备出PAN多孔纳米纤维。

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Preparation and adsorption property of PAN porous nanofiber

Chi Changlong, Wang Na, Yang Xiaohui, Shang Yuting

(DepartmentofMaterialandChemicalEngineering,HenanUniversityofEngineering,Zhengzhou450007)

Polyacrylonitrile/polyethylene glycol (PAN/PEG) composite nanofiber was prepared by using PAN as raw material and PEG as a pore forming agent via electrospinning process and was produced into PAN porous nanofiber after washing PEG off. The structure, morphology, specific surface area and adsorption property of PAN porous nanofiber were characterized by Fourier transform infrared spectrometry, scanning electron microscopy, pore surface area analysis and spectrophotometry. The results showed that PEG could be washed off for preparing PAN porous nanofiber due to the microscopic phase separation state of PEG and PAN in the composite fiber; and the diameter of PAN porous nanofiber was decreased and the specific surface area, pore volume and adsorption property were increased with the increase of the relatively molecular mass and content of PEG.

polyacrylonitrile fiber; polyethylene glycol; electrospinning; porous nanofiber; adsorption property

2016- 07- 04； 修改稿收到日期：2016- 09-25。

迟长龙(1978—)，男，副教授，主要研究方向为高分子材料加工及改性。E-mail：chichanglong123@163.com。

TQ342+.31

A

1001- 0041(2016)06- 0016- 04