納米碳材料作為填料的分散方法的優化

在眾多類型的膜材料中，醋酸纖維素（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、脫鹽性好、電位通量高、韌性好、成本相對較低等特點，使其仍然是一種非常有前景的材料。最近，混合基質膜材料（Mixed Matrix Membrane Materials-MMMS）受到高度重視，這主要歸功于它們在增加機械穩定性、較低的塑化和抑制降解等方面的性能改進。納米碳材料作為合適的填料在最終混合基質制備的膜上產生了新的先進性能。碳納米管（CNTs），包括單壁和多壁SWCNTs和MWCNT碳納米管、氧化石墨烯和石墨烯納米板結構（GO，GNPS）目前處于膜技術用填料的第一線，可提高最終膜材料的各項物理化學性能。

本論文使用高純度碳納米管、醋酸纖維素和二丙酮醇制備了混合基質膜，并研究了分散方法（主要是超聲和轉子-定子系統）對混合基質穩定性的影響，以及最終膜結構特性的影響。

1.穩定性測試原理    

Fig1 Test Principle

使用近紅外光源（或多光源系統）不斷照射整個樣品，在樣品離心加速分離的同時，與光源平行的檢測器隨時間連續監測并反應樣品的透光率變化，從而形成樣品在分離過程的空間和時間透光率圖譜。通過配套的分析軟件，既可定性分析樣品詳細的失穩過程，又可對樣品間的不穩定性指數，界面分層，顆粒遷移速度，粒度和分布等進行定量分析和比較。

2.樣品制備和測試條件

2.1樣品制備：圖1是混合基質膜的制備步驟。將醋酸纖維素CA溶解在二丙酮醇DAA中。獲得均勻溶液后，加入多壁碳納米管MWCNTs分散體（分散于DAA連續相）。研究不同的分散方法對混合基質分散體的穩定性研究，以及最終膜材料的物性測試。分別采用了轉子-定子系統(SR-Rotor Stator)和超聲(US-Ultrasonic)實現分散。

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

圖2給出了主要分散步驟中的分散參數影響因素。

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

表1給出了用不同分散設備和參數制備的樣品信息。

2.2 測試條件：LUMiSizer651，NIR870nm，25℃，3000rpm，2.5h

3. 測試結果    

3.1 CA/MWCNTS分散體的穩定性測試：

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

在圖3中，可以看到使用轉子-定子分散方法的6個代表性樣品的優異穩定性；消光/透光率分析過程中的光信號在離心2.5小時期間沒有明顯變化，并且所有樣品的分散不穩定性指數在0.004和0.007之間。在這一點上，必須注意的是，低于0.01的值表示長期穩定的分散體。

3.2 干燥后膜材料的物性測試：由于篇幅有限，請參考文獻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.小結

本文以多壁碳納米管為填料，制備并表征了大量的混合基質醋酸纖維素膜。采用超聲（US）和轉子-定子系統（RS）將納米碳材料分散到DAA溶劑中。對兩種分散技術的許多參數的影響進行了研究，得出的結論是RS方法似乎是更適合MWCNTS的分散。最新的研究還表明，還可應用三輥機分散方法進一步來進行改進。