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zui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。zui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zui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zui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zui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zui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。zui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。