纳米碳材料作为填料的分散方法的优化

在众多类型的膜材料中，醋酸纤维素（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、脱盐性好、电位通量高、韧性好、成本相对较低等特点，使其仍然是一种非常有前景的材料。最近，混合基质膜材料（Mixed Matrix Membrane Materials-MMMS）受到高度重视，这主要归功于它们在增加机械稳定性、较低的塑化和抑制降解等方面的性能改进。纳米碳材料作为合适的填料在最终混合基质制备的膜上产生了新的先进性能。碳纳米管（CNTs），包括单壁和多壁SWCNTs和MWCNT碳纳米管、氧化石墨烯和石墨烯纳米板结构（GO，GNPS）目前处于膜技术用填料的第一线，可提高最终膜材料的各项物理化学性能。

本论文使用高纯度碳纳米管、醋酸纤维素和二丙酮醇制备了混合基质膜，并研究了分散方法（主要是超声和转子-定子系统）对混合基质稳定性的影响，以及最终膜结构特性的影响。

1.稳定性测试原理    

Fig1 Test Principle

使用近红外光源（或多光源系统）不断照射整个样品，在样品离心加速分离的同时，与光源平行的检测器随时间连续监测并反应样品的透光率变化，从而形成样品在分离过程的空间和时间透光率图谱。通过配套的分析软件，既可定性分析样品详细的失稳过程，又可对样品间的不稳定性指数，界面分层，颗粒迁移速度，粒度和分布等进行定量分析和比较。

2.样品制备和测试条件

2.1样品制备：图1是混合基质膜的制备步骤。将醋酸纤维素CA溶解在二丙酮醇DAA中。获得均匀溶液后，加入多壁碳纳米管MWCNTs分散体（分散于DAA连续相）。研究不同的分散方法对混合基质分散体的稳定性研究，以及最终膜材料的物性测试。分别采用了转子-定子系统(SR-Rotor Stator)和超声(US-Ultrasonic)实现分散。

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

图2给出了主要分散步骤中的分散参数影响因素。

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

表1给出了用不同分散设备和参数制备的样品信息。

2.2 测试条件：LUMiSizer651，NIR870nm，25℃，3000rpm，2.5h

3. 测试结果    

3.1 CA/MWCNTS分散体的稳定性测试：

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

在图3中，可以看到使用转子-定子分散方法的6个代表性样品的优异稳定性；消光/透光率分析过程中的光信号在离心2.5小时期间没有明显变化，并且所有样品的分散不稳定性指数在0.004和0.007之间。在这一点上，必须注意的是，低于0.01的值表示长期稳定的分散体。

3.2 干燥后膜材料的物性测试：由于篇幅有限，请参考文献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.小结

本文以多壁碳纳米管为填料，制备并表征了大量的混合基质醋酸纤维素膜。采用超声（US）和转子-定子系统（RS）将纳米碳材料分散到DAA溶剂中。对两种分散技术的许多参数的影响进行了研究，得出的结论是RS方法似乎是更适合MWCNTS的分散。最新的研究还表明，还可应用三辊机分散方法进一步来进行改进。