论文总字数：34326字

摘 要

静电纺丝是对聚合物溶液或熔体施加外电场来制造纳米纤维的一种有效纺丝技术。早在1934年美国人Formhals就提出了静电纺丝的概念，近十年，随着纳米纤维的兴起，人们给予了静电纺丝极大的关注，做了较系统的理论和实验研究。由静电纺丝得到的离子交换膜是一种由纳米纤维组成的无纺织膜，具有高比表面积和高孔隙率的特点，在生物医学、过滤材料和复合材料等方面有广阔的应用前景。

本工作合成了两种分别带有阴、阳离子交换基团的聚合物：聚甲基丙烯酸N,N-二甲基氨基乙酯-甲基丙烯酸羟乙酯[p(DMAEMA-co-HEMA)]、聚对苯乙烯磺酸钠-甲基丙烯酸羟乙酯[p(SSS-co-HEMA)]，并为聚合物找寻合适的溶剂进行电纺。采用正交试验探究溶液浓度、电压、流量和针头与收集器的距离等4个参数的最优化组合。通过扫描电镜来观察纤维的形貌特征。p(DMAEMA-co-HEMA)使用N,N-二甲基甲酰胺（DMF）为溶剂，优化电纺条件为：质量浓度为42wt%；电压为10kV；流量为1.0mL·h^-1；距离为14cm。P(SSS-co-HEMA)采用H2O/THF/DMF（体积比为2/1/3）为溶剂，优化电纺条件为：质量浓度为20wt%；电压为13kV；流量为0.5mL·h^-1；距离为12cm。在相应条件下由一组相对的针头分别负载两个相反的高压电极对喷制得阴阳离子交换树脂复合纳米纤维，透射电镜表明该方法可行。

关键字：静电纺丝，纳米纤维，正交试验

The Research of Electrospinning Anion and Cation Exchange Resins

Abstract

Electrospinning is a unique and versatile technology that can produce nanofibers from polymer solutions or melts . Early in 1934, Formals had mentioned the conception about electrospinning. However, people had not systematically researched electrospinning theories and made a lot of experiments until recent ten years. Ion-exchange membrane prepared from electrospinning is a non-woven membrane made up of nanofibers.The membrane has high specific surface area\high surface-to-volume ratio.Therefore,it had the wide application potential in the domain of biomedical material\filtration and composite , and so on.

In the present study, we synthesized two polymers, and chose suitable solvents for them to electrospin, respectively. One of the polymers is poly(N,N-dimethylaminoethyl methacrylate-co-hydroxyethyl methacrylate) or p(DMAEMA-co-HEMA)for short, which has cation exchange groups, the other one is poly(sodium p-styrene sulfonate-co-hydroxyethyl methacrylate or p(SSS-co-HEMA) for short, which has anion exchange groups. Based on orthogonal test, the optimal combination of the four parameters including solution concentration, voltage, flow rate and distance between needle and collector was researched.Structure and morphology of nanofibers were investigated by SEM and TEM. The electrospinning of p(DMAEMA-co-HEMA) was used DMF as solvent and performed well under the condition of 42%,10kV,1.0mL·h^-1 and 14cm.And The electrospinning of p(DMAEMA-co-HEMA) was used H₂O/THF/DMF(volume ratio) as solvent and performed well under the condition of 20%,13kV,0.5mL·h^-1 and 12cm.Moreover,anion and cation exchange resin composite nanofibers were prepared by using coupled spinnerets applied with two high electrical voltages of opposite polarities, and the images of transmission electron microscopy showed that this method was feasible.

Keywords: Electrospinning (ES), nanofibers, orthogonal test

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1离子交换膜 1

1.1.1离子交换膜的结构 1

1.1.2离子交换膜的分类 1

1.1.3离子交换膜的发展历程 2

1.1.4离子交换膜的应用 3

1.1.5离子交换膜的制备方法 3

1.2静电纺丝 4

1.2.1静电纺丝的原理 5

1.2.2静电纺丝过程的影响因素 5

1.3静电纺丝法在制备离子交换膜中的应用 7

1.3.1静电纺丝法制备质子交换膜 7

1.3.2静电纺丝法制备阴离子交换膜 8

1.4论文的研究目的和主要内容 8

1.5创新性和意义 8

第二章 实验部分 9

2.1实验材料及仪器 9

2.1.1实验材料 9

2.1.2实验仪器 9

2.2无规共聚物的合成与表征 10

2.2.1聚甲基丙烯酸N,N-二甲基氨基乙酯-甲基丙烯酸羟乙酯[P(DMAEMA-co-HEMA)]的合成 10

2.2.2聚对苯乙烯磺酸钠-甲基丙烯酸羟乙酯[P(SSS-co-HEMA)]的合成 10

2.2.3红外光谱表征 10

2.2.4热重分析表征 10

2.3 P(DMAEMA-co-HEMA)纳米纤维膜的制备 10

2.3.1预实验确定静电纺丝参数范围 10

2.3.2正交试验确定静电纺丝最优参数 11

2.4 P(SSS-co-HEMA)纳米纤维膜的制备 11

2.4.1预实验确定混合溶剂的组成 11

2.4.2正交试验确定静电纺丝最优参数 11

2.5阴阳离子交换树脂复合纳米纤维 11

第三章 结果与讨论 13

3.1共聚物红外光谱分析 13

3.1.1P(DMAEMA-co-HEMA)红外光谱分析 13

3.1.2P(SSS-co-HEMA)红外光谱分析 14

3.2热重分析 14

3.3 P(DMAEMA-co-HEMA)纳米纤维膜的制备 15

3.3.1预实验确定静电纺丝参数范围 15

3.3.2正交试验Ⅰ确定静电纺丝最优参数 19

3.4 P(SSS-co-HEMA)纳米纤维膜的制备 23

3.4.1预实验确定混合溶剂的组成 23

3.4.2正交试验Ⅱ确定静电纺丝最优参数 25

3.5阴阳离子交换树脂复合纳米纤维 30

3.6小结 30

第四章 结论 32

致谢 33

参考文献 34

第一章 绪论

1.1离子交换膜

离子交换膜分离技术，具有耗能低、效率高、操作简单等优点，在食品加工、医药、化学工业等领域受到日益重视。其在水处理以及发电等提供更多更加清洁的能源替代品的过程中发挥越来越大的作用^[1]。在过去的50年中，一些离子交换膜已经从实验室研究迈向工业化、商业化，比如其燃料电池中已得到应用^[2,3]。

1.1.1离子交换膜的结构

离子交换膜（Ion exchange membrane，IEM），其化学成分和离子交换树脂完全相同，但表现为膜的形态。离子交换树脂的化学本质是一种不溶于水的聚电解质，常具有三维空间网状结构。和离子交换树脂类似，膜的结构也包括两部分：固定部分和活动部分。固定部分主要是高分子链骨架，是聚合物的主体，其上有起离子交换功能的基团（固定离子），与固定离子电荷相反的反离子解离到水中。近来也尝试在膜里添加增加材料以增强膜的机械性能。离子交换膜的组成如下所示：

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