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janus织物结构设计及单向输水性能研究

Janus织物结构设计及单向输水性能研究

作者：安春耕天津工业大学

学位级别：硕士

janus材料是指在同一体系中具有不对称性质的功能材料,包括物理不对称性和化学不对称性(通常表现为亲疏水性和正负电荷等)。从janus材料设计受到启发,本文将其中的janus润湿性结构应用到单向输水织物设计中,通过结构设计法开发janus织物... 详细信息

janus材料是指在同一体系中具有不对称性质的功能材料,包括物理不对称性和化学不对称性(通常表现为亲疏水性和正负电荷等)。从janus材料设计受到启发,本文将其中的janus润湿性结构应用到单向输水织物设计中,通过结构设计法开发janus织物,并在janus结构基础上改变织物结构来进一步提升单向输水能力,并通过动态水分在织物中传递以及扩散的过程和结果对其单向输水性能进行分析研究。本文利用结构设计法设计开发janus单向输水织物,以涤纶和莫代尔纤维为原料,设计了五组接结双层组织织物进行初步探索,并对其进行织物基础性能测试和单向输水性能测试,分析接结点数量和织物组织对单向输水性能的影响。结合初步探究实验结果对双层织物的表里两层分别进行设计改进,通过改变捻度、经纬纱密度、织物组织等分别设计了九组单层织物,评价其芯吸高度以及平均孔径,选择合适的莫代尔单层织物与九组涤纶单层织物分别进行组合,设计了表里层排列比1:1、1:2、1:3的不同组织的九组结构优化双层织物,研究表里层排列比和织物组织对表里层平均孔径差异和单向输水性能的影响规律。研究结果表明:1、随着接结点数量的增加,janus织物两层之间交织更加频繁,润湿性差异减小,单向输水性能随之降低;2、在其他条件相同时,两层均选择平纹组织、2/2纬重平组织和2/2斜纹组织形成的织物孔隙逐渐增大,毛细管力依次减小,单向输水性能相应减小;3、单层织物芯吸高度随着捻度、经纬纱密度以及组织浮长线的增大而逐渐升高,意味着液态水沿水平方向扩散能力逐渐增强;4、通过表里层排列比以及织物组织的不同组合,表里层平均孔径比值在一定范围内,可以在janus润湿性结构基础上成功构建差动毛细效应,单向输水性能相较初步探究实验中janus织物有大幅提升,达到了预期效果,但是随着表里层排列比的继续增大,表里层平均孔径比值逐渐不合理,阻力减小,单向输水效果随之减弱。

关键词： janus织物单向输水机织物润湿性差异差动毛细效应

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janus织物的制备及单向导湿性能研究

Janus织物的制备及单向导湿性能研究

作者：梁迎春五邑大学

学位级别：硕士

janus材料是指在同一结构体系中具有不对称性质(即物理不对称性和化学不对称性)的功能材料,液体可以在janus材料中实现单向传输,该特性使其在防护服、油水分离、空气过滤、生物医药以及流体操纵等领域具有重要应用。但是现有的janus材... 详细信息

janus材料是指在同一结构体系中具有不对称性质(即物理不对称性和化学不对称性)的功能材料,液体可以在janus材料中实现单向传输,该特性使其在防护服、油水分离、空气过滤、生物医药以及流体操纵等领域具有重要应用。但是现有的janus材料存在制备过程复杂、材料含氟、以及耐受性和可控性差等缺陷,限制了它在生活中的实际应用。因此开发制备简单、耐受性好以及可调控性强的janus材料逐渐成为研究者们所关注的热点。为揭示不对称结构对织物单向导湿的调控机制,本文制备了三种不同类型的janus织物:(1)在相同的改性PET织物上,构造了不同厚度疏水膜的janus织物(即PS-x/PET);(2)在不同的改性PET织物上构筑相同厚度的疏水层(即PS/PET-y);(3)在相同的PET和同等厚度的疏水层上构筑不同厚度的亲水膜(即PS/PET/PVA-z)。研究了物理不对称性和化学不对称性对PS/PET双层和PS/PET/PVA三层janus织物单向导湿性能的影响。通过扫描电镜(SEM)观察janus织物的表面和截面的微观形貌,通过接触角测试仪、万能强力机测试了织物表面的浸润性和其力学性能,通过孔隙、孔径分析仪分析janus织物的孔结构,通过水滴在织物疏水表面的“推”、“拉”以及角度翻转测试其粘滞性,通过液体在织物两侧界面的渗透实验测试了它的单向导湿行为。研究结果表明:1、疏水层厚度可以直接影响水在janus织物中的转移类型,随着疏水层厚度增加,水转移类型变化趋势为:双向导湿→单向导湿→双向不导湿,所以疏水层只有在一定厚度范围内才具有单向导湿能力;2、janus织物两层之间的浸润性偏差可以调节水在织物中的单向运输能力,偏差越大,单向运输导湿性能越好;3、在PS/PET/PVA三层janus织物中,随着亲水层厚度增加其孔结构和毛细管力皆增加,而织物的单向导湿性能则由孔结构所产生的阻力与毛细管力(吸引力)之间的相对大小所决定。综上可知,在织物单向导湿功能的获取中,物理和化学不对称起着同等重要的作用,其中疏水层厚度可以被用于“粗调”,而浸润性偏差和亲水层厚度则可以将其“精调”至最优单向导湿状态。

关键词： janus织物静电纺丝单向导湿不对称性

janus碳纳米管涂层织物的制备及其光热水蒸发性能研究

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Janus碳纳米管涂层织物的制备及其光热水蒸发性能研究

作者：齐枫枫东华大学

学位级别：硕士

在世界淡水资源短缺的背景下,人们利用丰富的海水资源来获取淡水。然而传统的海水淡化技术能耗高,设备复杂,不利于可持续发展,因此需要寻求新型简易的水净化技术,来减少不可再生能源的损耗,而太阳能海水淡化技术是目前新兴的、具有潜力... 详细信息

在世界淡水资源短缺的背景下,人们利用丰富的海水资源来获取淡水。然而传统的海水淡化技术能耗高,设备复杂,不利于可持续发展,因此需要寻求新型简易的水净化技术,来减少不可再生能源的损耗,而太阳能海水淡化技术是目前新兴的、具有潜力的解决方案。该技术通过利用光热转化材料,将太阳能直接用于海水的蒸发产生淡水,具有效率高、清洁环保等优点。本文采用具有宽谱吸收性能的碳纳米管(CNTs)作为光热转化材料,通过自组装法在无纺棉布上构筑碳纳米管涂层,在氢键作用下形成稳定的光吸收层,利用图案化喷涂法对织物的单面进行疏水整理,制备出具有不对称润湿性的janus碳纳米管涂层织物,提高了涂层织物的水分运输性能,实现高效的太阳能水蒸发,为探索卓越的光热水蒸发材料提供了新的方向。本文研究内容和研究方法主要包括以下四个方面:(1)在纤维的毛细诱导作用下,采用层层自组装技术成功制备了碳纳米管涂层织物,同时对织物的光谱吸收能力进行表征和分析,探究自组装层数对涂层织物光谱吸收性能的影响。实验结果发现,碳纳米管在纤维上呈取向排列,在250～2500nm宽光谱范围内,5层碳纳米管涂层织物的光吸收率高达94.5%,证明该织物具有优异的光谱吸收性能。(2)在界面水蒸发系统中,利用“皮芯式”结构优化水蒸发时的热管理和水运输,减少织物表面在蒸发过程中的热量损失。在模拟光源下,测试不同自组装层数碳纳米管涂层织物的水蒸发速率,计算太阳能光热转化效率分析涂层织物的水蒸发性能。在一个太阳光强下(1 k W/m),5层碳纳米管涂层织物水蒸发速率为1.63kg·m·h,光热转化效率为83.3%。通过光功率计校准光照强度,探究不同光强对碳纳米管涂层织物水蒸发速率的影响,在2个太阳光强下,水蒸发速率上升到2.12kg·m·h。(3)设置5%、10%、20%、30%、40%的疏水化面积比例梯度,采用模板掩盖法,对碳纳米管涂层织物进行单面疏水化整理,制备出janus光热转化织物。通过水接触角分析得知,疏水面接触角为127.2°,而反面依旧保持极强的亲水性。利用动态水分管理系统测试janus光热转化织物的水分运输能力,研究不同疏水化面积比例对织物水分运输性能的影响。实验结果显示,最佳面积比例为10%,此时janus织物的水蒸发速率和光热转化效率分别为1.78 kg·m·h和90.2%,太阳能水蒸发效果得到明显提高。(4)设计便携式海水淡化装置,测试janus光热转化织物在模拟海水中的水蒸发性能,分析并评价其海水淡化效果。利用电导率仪测得水体的电导率从55.2m S/cm下降到52.3μS/cm,达到天然饮用水的电导率标准,证明了该janus织物具有优异的太阳能海水淡化潜力。

关键词：太阳能光热转化碳纳米管 janus织物图案化疏水整理海水淡化

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超浸润表面的制备及其在油水分离中的应用

超浸润表面的制备及其在油水分离中的应用

作者：渠少波东华大学

学位级别：硕士

近年来原油的泄露和生活用油的随意排放,在造成巨大经济损失的同时也给生态环境带来了严重的迫害。众所周知,油和水的表面张力存在着较大的差异,因此可以选择对油和水具有不同亲和力的材料作为油/水分离材料,进行油/水混合物的分离,并... 详细信息

近年来原油的泄露和生活用油的随意排放,在造成巨大经济损失的同时也给生态环境带来了严重的迫害。众所周知,油和水的表面张力存在着较大的差异,因此可以选择对油和水具有不同亲和力的材料作为油/水分离材料,进行油/水混合物的分离,并且可以通过赋予材料特殊浸润性,以增强材料的油水分离效率。表面润湿性是固体表面的一个重要性质,近年来超浸润表面,如:超疏水,超亲水,以及janus表面的研究逐渐引起了大家的广泛关注。本文制备并研究了三种不同的材料(亲水,超疏水和janus织物)在油/水分离中的应用,主要结论如下:超浸润表面的制备及其在油水分离中的应用。(1)经传统前处理工艺处理后的纯棉机织物,由于其本身具备空气中亲水和水下疏油的特性,润湿的棉织物能够用于分离轻油/水组成的油水分层体系,并且经过50次循环使用后其油水分离效率依然能够大于98%,但经前处理的纯棉机织物作为油水分离材料,在油水分离过程中也存在着一定的缺陷,即其不能够分离重油/水组成的油水分层体系。(2)为了弥补纯棉机织物在油水分离应用中的不足,本文介绍了一种简单的制备耐久性,超疏水表面的方法。将(3-巯基丙基)-三甲氧基硅烷为前驱体制备的Si O2溶胶,通过浸渍的方法处理到棉织物表面,接着通过氨气引发聚合反应的方法,在棉织物表面生长出Si O2颗粒,最后借助点击化学的手段,将甲基丙烯酸十三氟辛酯接枝到棉织物表面,对棉织物进行表面改性,以降低其表面能。这便制备出了具有优异超疏水特性的棉织物。水在制备的超疏水织物表面的接触角和滚动角分别为:155°,和5°;制备的超疏水织物,具有良好的摩擦牢度,经摩擦牢度仪破坏织物组织结构后,仍能保持较好的超疏水特性;此外处理后的织物还具备优异的耐酸和耐紫外光照的特性。制备的超疏水织物在油水分离的就应用中,能够高效地实现重油/水组成的油水分层体系的分离,并且经过50次的循环使用后其分离效率仍在98%以上。但在油水分离过程中以超疏水棉织物作为油水分离材料也存在着明显的缺陷,即其不能够分离轻油/水组成的油水分层体系。(3)为了赋予基底同时具备轻油/水和重油/水两种体系的油水混合物高效分离的功能。本文介绍了一种简单的方法,制备单面亲水和单面疏水的janus织物。利用上述制备的超疏水织物不耐强碱的特性,将上述制备的超疏水棉织物,放到1mol/L的烧碱溶液中加热保温30min,只破坏超疏水织物一侧的粗糙结构和低表面能物质,便可获得一面亲水一面疏水的janus织物。研究发现在油水分离实验中,以janus织物作为油水分离材料进行油水分离时,当重油/水混合物首先接触到janus织物亲水面时,janus织物能够高效地将重油/水混合物分离开。将janus织物的亲水面润湿,当轻油/水混合物首先接触到janus织物疏水面时,janus织物能够高效地将轻油/水混合物分离开。此外janus织物在油水分离实验中具有高效和高循环次数的特点经过10循环使用后依然能达到98%的分离效率。

关键词：亲水性棉织物超疏水织物 janus织物油水分离高循环使用次数高分离效率

基于SiO2气凝胶的特殊浸润性表面的制备及其在油水分离中的应用研究

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基于SiO2气凝胶的特殊浸润性表面的制备及其在油水分离中的应用研...

作者：丁银艳东华大学

学位级别：硕士

油和水在我们的生活和社会发展过程中起着重要的作用。人们在油类的开采、运输、储存及应用等方面,由于管理不善及技术发展的滞后,常常会发生油品泄漏,造成油和水的污染,导致严重的资源浪费和生态环境的破坏。因而,油水混合物的分离是... 详细信息

油和水在我们的生活和社会发展过程中起着重要的作用。人们在油类的开采、运输、储存及应用等方面,由于管理不善及技术发展的滞后,常常会发生油品泄漏,造成油和水的污染,导致严重的资源浪费和生态环境的破坏。因而,油水混合物的分离是一项亟待解决的挑战性问题之一。传统的油水分离方法包括重力分离、撇油、离心及浮选等,对油水分离有较好的效果,但却有分离时间长、操作复杂、不能够连续化分离且分离不够完全等缺点。超疏水(超亲油)表面因其独特的表面润湿性能,能够将油水混合液中的油和水分离开来,是一种新型、有效的油水分离方法。以甲基三甲氧基硅氧烷为前驱体,通过溶胶-凝胶法制备的SiO气凝胶,具有疏水性好、比表面积大、孔隙率高、稳定性好等特点。因而,本文基于SiO气凝胶采用两种不同的基材,制备超疏水(超亲油)表面,并设计了简易分离装置,分别对油水分层混合物及油水乳液进行分离。主要研究内容与结果如下:(1)janus织物的制备及其在油水分层混合液分离中的应用研究。采用溶胶-凝胶法及常压干燥技术,以甲基三甲氧基硅氧烷为前驱体,以乙二酸及氨水为催化剂制备疏水型sio2气凝胶颗粒。通过喷涂干燥的方法,将分散好的sio2气凝胶颗粒喷涂到棉针织物表面,制备出了单面亲水,单面超疏水的janus织物。通过控制sio2气凝胶颗粒的含量,可对织物表面的润湿性进行一定的调控。当sio2气凝胶颗粒含量占织物的比重为1.73%.49%之间时,janus织物表现良好的单向导湿性能,水滴可以从疏水面转移至亲水面;当sio2气凝胶颗粒含量与织物的比重在2.49%以上时,janus织物具有稳定超疏水性能,janus织物疏水面静态水接触角达154°,水滴在其疏水面停留60min,仍可保持超疏水状态,而亲水面则呈现极好的亲水性。本文用设计的油水分离装置,可分别对“重质油”(上水下油)及“轻质油”(上油下水)两种油水混合液进行有效分离。(2)超疏水纳米纤维膜的制备及其在油水乳液分离中的应用研究。以聚偏氟乙烯(pvdf)为原料,采用静电纺丝技术制备了pvdf微纳纤维膜,然后采用喷涂sio2气凝胶的方法,对pvdf纤维膜表面改性,制备出了静态水接触角达156°的超疏水pvdf纤维膜表面。pvdf纤维膜具有较好的机械性能,其断裂强力为12mpa,断裂延伸率为119.2%,且耐静水压高度超过30cm。厚度平均为20μm的超疏水静电纺丝pvdf纤维膜,其中对孔体积贡献较大的是在2-15nm之间的孔和15-80nm之间的孔,且在30-60nm间形成一个以45nm为中心的峰。其对于乳液粒子在1-20μm大小的油水乳液表现出较好的分离效果。

关键词： SiO2气凝胶超疏水静电纺丝 janus织物油水分离

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基于纬二重组织的油水分离织物的设计及制备

基于纬二重组织的油水分离织物的设计及制备

作者：刘其保东华大学

学位级别：硕士

含油污水一直是生活和生产中的重要问题,严重影响着人们的生活和生态环境。传统的油水分离方法如物理法、化学法和生物法因其能耗高、分离效率低和成本高等问题而限制了其应用。近年来,受自然界中具有特殊浸润性生物的启发,超疏水材料... 详细信息

含油污水一直是生活和生产中的重要问题,严重影响着人们的生活和生态环境。传统的油水分离方法如物理法、化学法和生物法因其能耗高、分离效率低和成本高等问题而限制了其应用。近年来,受自然界中具有特殊浸润性生物的启发,超疏水材料、超亲水材料等得到了广泛的关注与研究,通过调节多孔性材料表面润湿性,可以实现油水混合液的分离;该类材料具有分离效率高、低能耗的特点,逐渐成为油水分离材料研究的热点。纺织品为常见的多孔性材料,因其来源广泛、价格低廉,是理想的油水分离材料基底。提高纺织品表面的粗糙度或降低其表面能,可制备具有良好油水分离性能的超疏水材料;增加纤维表面的亲水性基团的数量,可制备具有超亲水性的材料;对纺织品进行单面疏水化处理,可制备具有janus性质的材料。机织物由经纱和纬纱以一定的规律交织而成,具有外观挺括和坚实等特点。纬二重组织为机织物复杂组织中的一员,由两种相同或不同的纬纱和一种类型的经纱交织而成。其中的一种纬纱与经纱交织构成表面组织一,另一种纬纱与经纱交织构成表面组织二。本文基于纬二重组织原理,通过调节经纱和纬纱的亲、疏水性能,编织得到三种具有不同浸润性的织物,分别为纬二重疏水性织物、纬二重亲水性织物和纬二重janus织物。利用场发射扫描电镜(fesem)和x射线能量色散谱(eds)对纱线的形貌和元素组成进行表征;采用光学显微镜确定纬二重织物的组织结构;使用接触角分析仪、油水分离装置研究其浸润性、油水分离性能。以疏水处理的涤纶纱线为经纱,疏水处理的棉纱线为纬纱,编织得到疏水性的织物。接触角测试表明,疏水性的织物的接触角达到150°以上,具有疏水、亲油的特点;将织物应用于油水分离实验,可以实现不同类型的油水混合液的有效分离,且分离效率达到96%以上;循环油水分离实验测试表明纬二重疏水性织物能够实现10次以上的油水分离,且接触角仍保持在150°左右,分离效率保持在96%以上。以碱减量处理后的涤纶纱线为经纱,二氧化硅处理后的棉纱线为纬纱,编织得到超亲水性织物。超亲水性的织物在空气中具有亲水亲油性,在水下具有超疏油的特点,油与织物的接触角在150°以上;将织物应用于油水分离实验,可以实现不同类型的油水混合液(正庚烷/水、十二烷/水、石油醚/水、液体石蜡)的有效分离,且分离效率达到96%以上;循环油水分离实验测试表明纬二重超亲水性织物能够实验50次以上的油水分离,且不被杂质和油污污染,分离效率保持在96%以上。以疏水处理的涤纶纱线为经纱,疏水处理的棉纱线和二氧化硅处理的棉纱线为纬纱,编织得到具有janus性质的织物。该织物一面具有超疏水、超亲油的特点,在空气中与水的接触角在150°以上;另一面具有亲水性,在水下具有超疏油的特点,在水下与正庚烷的接触角在150°以上。将该janus织物应用于油水分离实验,织物的疏水面朝上,可以实现油(ρ>1)与水的混合液的有效分离;翻转织物,织物的亲水面朝上,可以实现油(ρjanus织物能够实现多次油水分离,且疏水面和亲水面的接触角测试未发生较大的改变,油水分离效率仍在95%以上。

关键词：纬二重疏水性织物超亲水织物 janus织物油水分离