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  • 材料工程
      2020年, 第48卷, 第7期 刊出日期:2020-07-20 上一期    下一期
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    2020, 48 (7): 0-0.  
    摘要 ( 59 )   HTML( PDF (1998KB) ( 44 )   引文文本
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    石墨烯专栏
    石墨烯光催化材料及其在环境净化领域的研究进展
    杨程, 时双强, 郝思嘉, 褚海荣, 戴圣龙
    2020, 48 (7): 1-13.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2019.000892
    摘要 ( 188 )   HTML( PDF (2224KB) ( 100 )   引文文本
    石墨烯作为一种导电率高、比表面积大、化学稳定性强的新型二维碳材料,在光催化技术领域显示出广阔的应用前景。本文综述石墨烯及其复合材料在光催化领域中的研究进展。首先介绍光催化基本原理与石墨烯的优异性能,总结石墨烯在复合光催化材料中的基本作用,即促进光生电子的传输、扩大光吸收强度和范围、提升吸附作用等。然后介绍各种石墨烯光催化复合材料(石墨烯/无机半导体、石墨烯/有机半导体、石墨烯/金属纳米粒子)及其多种合成方法。同时进一步阐述石墨烯光催化材料在环境净化领域中的应用,重点介绍在空气净化、水中微量污染物净化及废水处理方面的应用。最后指出目前的石墨烯光催化材料仍然存在催化效率低、成本高、不能实现大规模生产等问题,而对其结构及制备工艺等进行优化有望改善材料性能,提高其实际应用价值。
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    石墨烯基电磁屏蔽材料的研究进展
    钱伟, 何大平, 李宝文
    2020, 48 (7): 14-23.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2019.000914
    摘要 ( 95 )   HTML( PDF (5049KB) ( 54 )   引文文本
    随着5G技术时代的来临和柔性电子器件的发展,国防和民用等领域对电磁屏蔽材料提出了更高的要求。石墨烯作为一种新型碳材料,具有独特的二维结构以及优异的物理化学性能,使得石墨烯基材料具有柔性好、质量轻、耐腐蚀性强以及高效的电磁屏蔽效能。本文基于电磁屏蔽的基本原理以及石墨烯基电磁屏蔽材料的制备方法,按照纯石墨烯材料、石墨烯基复合材料进行展开,综述了近年来石墨烯基电磁屏蔽材料的研究进展,并对其发展前景进行了展望。
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    氧化石墨烯的化学还原方法与机理研究进展
    郭建强, 李炯利, 梁佳丰, 李岳, 朱巧思, 王旭东
    2020, 48 (7): 24-35.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2019.000915
    摘要 ( 81 )   HTML( PDF (3509KB) ( 50 )   引文文本
    石墨烯物理性能优异,自被发现以来迅速引起了国内外研究者的广泛关注。石墨烯的批量生产是实现石墨烯材料应用的前提,由于氧化石墨烯具有丰富的含氧官能团,便于化学改性,生产成本低、可规模化生产,化学还原氧化石墨烯成为目前大批量制备石墨烯材料最常用的方法之一。至今已经有数十种化学还原氧化石墨烯的方法被报道,还原效果千差万别,还原机理也尚未定论。本文梳理了氧化石墨烯的主要化学还原方法,从关键反应基团的角度进行了归纳总结,论述了它们的优缺点;分析了多种氧化石墨烯的还原机理,提出氧化石墨烯化学还原的本质是羟基还原同时形成碳碳双键的过程。
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    等离子体增强化学气相沉积可控制备石墨烯研究进展
    李娜, 张儒静, 甄真, 许振华, 何利民
    2020, 48 (7): 36-44.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2019.000918
    摘要 ( 77 )   HTML( PDF (3517KB) ( 40 )   引文文本
    石墨烯具有超薄的结构、优异的光学和电学等性能,在晶体管、太阳能电池、超级电容器和传感器等领域具有极大的应用潜能。为更好地发展实际应用,高质量石墨烯的可控制备研究尤为重要。等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术具有低温和原位生长的优势,成为未来石墨烯制备方面较具潜力的发展方向之一。本文综述了PECVD技术制备石墨烯的发展,重点讨论了PECVD过程中等离子体能量、生长温度、生长基底和生长压力对石墨烯形核及生长的作用,概述了PECVD制备石墨烯的形核及聚结机制、刻蚀和边缘生长竞争两种不同机制,并指出PECVD技术制备石墨烯面临的挑战及发展。在未来的研究中,需突破对石墨烯形核及生长的控制,实现低温原位的大尺寸、高质量石墨烯薄膜的可控制备,为PECVD基石墨烯器件在电子等领域的应用奠定基础。
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    拉曼光谱在石墨烯聚合物纳米复合材料中的应用
    郝思嘉, 李哲灵, 任志东, 田俊鹏, 时双强, 邢悦, 杨程
    2020, 48 (7): 45-60.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2019.000889
    摘要 ( 78 )   HTML( PDF (4641KB) ( 29 )   引文文本
    拉曼光谱不仅能够用于确定石墨烯的物理性质、缺陷程度及层数等,也逐渐发展成为研究石墨烯聚合物复合材料重要的分析表征工具。石墨烯拉曼特征峰可用于对复合材料中石墨烯进行二维及三维的拉曼成像,从而获得石墨烯的分散状态。石墨烯拉曼特征峰的位移能够灵敏地反映石墨烯的形变程度,从而定量地评估复合材料中石墨烯与聚合物分子之间的相互作用、计算石墨烯的有效杨氏模量以及确定石墨烯的空间取向。本文综述了拉曼光谱在石墨烯聚合物复合材料领域的应用研究,介绍了拉曼光谱技术在石墨烯聚合物复合材料领域的最新研究进展,如石墨烯复合材料的微观变形机理、石墨烯与聚合物基体之间的应力转移效率、影响材料性能的关键性因素等。石墨烯聚合物复合材料的拉曼光谱研究目前仍以模型化复合材料为主要研究对象,而且聚合物基体的荧光效应也会在一定程度上限制拉曼光谱的应用。针对于此,可适当提高激发光的功率而产生一些非线性效应,以大幅增大拉曼光强度,从而使拉曼光谱技术在石墨烯聚合物复合材料领域中得到更广泛的应用。
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    综述
    合金元素配分对珠光体相变热动力学及其奥氏体化影响的研究进展
    杨泽南, 李赛, 于俊杰, 谢强, 王祯, 张明达, 董浩凯, 张强, 杨志刚
    2020, 48 (7): 61-71.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000100
    摘要 ( 63 )   HTML( PDF (3279KB) ( 43 )   引文文本
    珠光体相变及其奥氏体化作为涉及三相、两界面的复杂相变过程,其相变过程和物理本质仍有待探索和研究。本文综述了合金钢中珠光体的相变过程,阐述了间隙型合金元素C和置换型合金元素M在相变过程中的配分行为,并介绍了相场模拟在珠光体相变过程中的应用。基于本课题组前期大量的实验和计算结果,进一步讨论了组织与成分的不均匀性对于珠光体逆奥氏体化相变的影响,由于C与M在扩散系数上存在巨大差异,使得该过程中存在动力学发生显著变化的临界转变温度(PNTT)。在此基础上,本文创新性地提出了一种近共析成分含锰钢的热处理工艺,相比于传统Q&P工艺可极大地提高Mn在残余奥氏体中的富集程度,进而提高奥氏体稳定性,为更加系统深入地调控马氏体/奥氏体双相钢组织提供理论指导。
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    Janus膜的制备及其应用研究进展
    任宝娜, 皮浩弘, 谷英姝, 王锐, 张秀芹, 吴晶
    2020, 48 (7): 72-80.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2019.000530
    摘要 ( 63 )   HTML( PDF (1886KB) ( 39 )   引文文本
    膜材料是现代分离技术和能源开发及利用的基础材料。其中,Janus(罗马双面神)膜由于其两侧的形貌结构或化学组成具有不对称性,因此赋予Janus膜材料某些优于均相膜材料的独特性能。近年来,随着人们对Janus膜认识、研究的深入以及应用领域的拓展和需求的提升,Janus膜的设计、构筑及其在多领域中的应用研究受到材料科学家的广泛关注。基于此,本文对Janus膜的常见类型及制备方法进行综述,归纳并总结其在液体单向透过、油水分离及海水淡化等领域中的应用研究进展,最后,指出Janus膜在制备方法方面所面临的挑战,如不同应用领域所需要的膜厚不同,如何实现膜厚度的精确控制等,并对Janus膜在油水分离、空气中雾水手机等应用中的发展趋势进行展望。
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    柔性阻变存储器材料研究进展
    唐大秀, 刘金云, 王玉欣, 尚杰, 刘钢, 刘宜伟, 张辉, 陈清明, 刘翔, 李润伟
    2020, 48 (7): 81-92.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2018.001298
    摘要 ( 62 )   HTML( PDF (9942KB) ( 37 )   引文文本
    本文简述了阻变存储器的基本结构、工作原理、发展历程和研究现状,归纳总结了柔性阻变存储器的材料体系,包括介质材料、电极材料和基底材料,以及柔性阻变存储器材料体系的总体趋势和最新研究进展;分析了柔性阻变存储器的性能特点,包括存储性能和力学性能。阐述了发展柔性阻变存储器的重要意义与面临的挑战,提出了该领域现在研究中存在的不足和未来需要进一步研究的方向。得出力学性能稳定的高电导可拉伸电极和存储性能稳定的可拉伸介质是柔性阻变存储器材料今后发展的主要方向。
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    铁基磁性纳米材料吸附废水中重金属离子研究进展
    张波波, 张文娟, 杜雪岩, 王有良
    2020, 48 (7): 93-102.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2018.001179
    摘要 ( 81 )   HTML( PDF (3044KB) ( 31 )   引文文本
    磁性纳米材料具有较高的生物相容性、良好的吸附性能、易于固液分离等特点,在水处理方面越来越受到关注。本文主要综述铁基磁性纳米颗粒的分类、常见形态、功能化方法、铁基磁性纳米颗粒和功能化铁基磁性纳米复合材料吸附废水中重金属离子的研究进展,讨论不同铁基磁性纳米粒子的功能化机理及其在重金属离子吸附过程中的吸附机理,分析铁基磁性纳米材料在重金属离子吸附应用中易团聚、氧化、稳定性差等问题,并展望功能化对铁基磁性纳米颗粒吸附废水中重金属离子的发展前景,为重金属废水的吸附提供更加充足的理论依据。
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    研究论文
    富锂锰基Li1.2[Co0.13Ni0.13Mn0.54]O2锂离子正极材料的磷改性研究
    班丽卿, 高敏, 庞国耀, 柏祥涛, 李钊, 庄卫东
    2020, 48 (7): 103-110.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2019.000595
    摘要 ( 74 )   HTML( PDF (5196KB) ( 36 )   引文文本
    为提高高比容量的层状富锂锰基Li1.2[Co0.13Ni0.13Mn0.54]O2材料的电化学性能,对材料添加了不同含量的NH4H2PO4,并对其进行相关研究。主要是对原样和改性后的材料进行X射线衍射(XRD)、高分辨透射电镜(HRTEM)等物理化学性能测试,以及电化学阻抗谱(EIS)、首次充放电性能和倍率性能等电化学性能测试。结果表明:添加0.3%(质量分数,下同)磷元素材料(LMNCOP-03)的综合性能最优,首次放电比容量为280 mAh·g-1,1 C容量为212.2 mAh·g-1,3 C容量为170.6 mAh·g-1。同时EIS测试表明引入0.3%磷的材料具有较低的表面阻抗R和电荷传递电阻Rctsf
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    感应熔覆原位合成TiB增强钛基复合涂层的微结构与力学性能
    张梦清, 于鹤龙, 王红美, 尹艳丽, 魏敏, 乔玉林, 张伟, 徐滨士
    2020, 48 (7): 111-118.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2019.000724
    摘要 ( 64 )   HTML( PDF (4182KB) ( 36 )   引文文本
    采用高频感应加热熔化(90%钛(原子分数,下同)+10%硼)预置涂层的方法在Ti6Al4V基体表面制备感应熔覆原位TiB增强Ti基复合涂层,利用扫描电镜、能谱仪、X射线衍射仪、显微硬度计和纳米压痕仪等研究复合涂层的显微结构、物相构成及微纳米力学性能。结果表明:感应熔覆钛基复合涂层表面光滑平整,内部无裂纹和孔隙,与基体形成良好的冶金结合;熔覆过程中Ti与B充分反应生成TiB增强相,涂层基质相由α-Ti和少量β-Ti构成。原位TiB增强体在涂层内部分布均匀,体积分数约为9.4%,纳米压痕硬度和弹性模量高达35 GPa和545 GPa。复合涂层的显微硬度达到525HV0.2,较Ti6Al4V基体材料提高了约67%。
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    冷轧成形钛/钢层状复合板界面结合强度的影响因素
    刘雪峰, 白于良, 李晶琨, 秦回一, 陈鑫
    2020, 48 (7): 119-126.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2019.000890
    摘要 ( 52 )   HTML( PDF (4592KB) ( 39 )   引文文本
    采用冷轧复合法制备钛/钢层状复合板,研究轧制压下率、轧制道次、表面粗糙度、原材料状态和轧制速率对钛/钢层状复合板界面结合强度的影响。结果表明:界面作用力和轧制力对界面的作用时间是影响钛/钢层状复合板界面结合强度的主要因素。轧制压下率、表面粗糙度和原材料状态通过影响界面作用力来影响钛/钢层状复合板的界面结合强度;轧制速率通过影响轧制力对界面的作用时间来影响钛/钢层状复合板的界面结合强度;钛/钢层状复合板的冷轧复合效果与轧制道次无关,只有单道次轧制压下率超过临界轧制压下率时,才能实现冷轧复合。
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    新型高温合金材料建模及涡轮盘成形工艺模拟
    王彦菊, 姜嘉赢, 沙爱学, 李兴无
    2020, 48 (7): 127-132.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2019.001207
    摘要 ( 115 )   HTML( PDF (2832KB) ( 34 )   引文文本
    采用Gleeble-3800对一种新型变形高温合金材料GH4066进行热物理模拟测试,获得了该材料在温度为800,900,1000,1100,1150℃,应变速率为0.0003,0.001,0.01,0.1,1,10 s-1的不同变形工艺条件下高温流动应力特征。基于实验数据与唯象学模型,建立了该材料的本构关系模型;通过对不同温度、不同应变速率条件下的材料试样进行微观组织观察与晶粒尺寸测试,建立了材料的动态再结晶和晶粒长大模型;将材料本构关系、峰值应力应变、动态再结晶以及晶粒长大模型嵌入有限元软件中进行该材料涡轮盘锻造成形工艺的模拟计算,给出了该材料涡轮盘热锻造成形的合理参数范围。通过对材料模型的准确度验证,建立了一种综合实验与计算的材料模型构建及涡轮盘锻造工艺参数确定的方法。
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    激光3D打印非晶合金晶化体积分数的理论预测
    曲丽丹, 韩斌慧, 吕云卓, 白钰枝
    2020, 48 (7): 133-138.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2019.000088
    摘要 ( 55 )   HTML( PDF (2554KB) ( 22 )   引文文本
    采用一种有效的方法预测激光3D打印块状非晶合金的晶化程度,对于激光3D工艺参数的选择与优化至关重要。本工作从非晶合金的晶化动力学入手,通过测试不同加热速率下非晶合金的特征温度,获得非晶合金发生晶化所要克服的晶化激活能和Arrhenius指前因子,并结合有限元模拟技术,提出了一种预测激光3D打印非晶合金晶化体积分数的方法。以Zr50Ti5Cu27Ni10Al8(Zr50)非晶合金为模型体系,验证了该方法的有效性。结果表明:利用该方法获得的激光3D打印单道Zr50非晶合金晶化相体积分数为1.23%,与实验得到的晶化相体积分数1.65%较接近,这有力地证明了提出的激光3D打印非晶合金晶化体积分数的理论预测方法是可行的。
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    一种第三代单晶高温合金中高温横向持久性能
    杨万鹏, 李嘉荣, 刘世忠, 赵金乾, 史振学, 王效光
    2020, 48 (7): 139-145.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2018.000332
    摘要 ( 57 )   HTML( PDF (6234KB) ( 28 )   引文文本
    研究一种镍基第三代单晶(single crystal,SC)高温合金在760℃/800 MPa,980℃/250 MPa与1100℃/137 MPa条件下的横向持久性能。结果表明:在760℃/800 MPa,980℃/250 MPa与1100℃/137 MPa条件下,该合金横向持久寿命与伸长率均低于纵向;横向与纵向持久断裂后的位错组态特征一致,760℃/800 MPa条件下断裂后γ'相中存在相交的层错,而1100℃/137 MPa条件下断裂后γ/γ'相界面形成位错缠结与高密度位错网;横向与纵向在760℃/800 MPa条件下为类解理断裂与韧窝断裂的混合断裂,而在980℃/250 MPa与1100℃/137 MPa条件下为韧窝断裂;第一代单晶高温合金DD3、第二代单晶高温合金DD6与本研究的第三代单晶高温合金中高温横向持久断裂机制基本一致;外应力方向垂直于定向凝固过程形成的一次枝晶间界面,是横向持久性能低于纵向的主要原因。
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    基于正交实验方法的蛇纹石润滑油添加剂摩擦学性能
    尹艳丽, 于鹤龙, 周新远, 宋占永, 王红美, 王文宇, 刘晓亭, 徐滨士
    2020, 48 (7): 146-153.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2019.000617
    摘要 ( 45 )   HTML( PDF (4442KB) ( 28 )   引文文本
    采用正交实验方法,利用往复式滑动磨损试验机研究油酸改性天然蛇纹石超细粉体作为500SN润滑油添加剂的减摩抗磨性能,分析载荷、往复频率、摩擦时间和蛇纹石添加量4个因素对蛇纹石添加剂性能的影响规律。结果表明:蛇纹石矿物粉体能够明显提高润滑油的摩擦学性能,各因素对其减摩性能影响的主次顺序依次为添加量、往复频率、载荷和摩擦时间,对应的最优摩擦学条件组合为100 N,5 Hz,180 min,0.5%(质量分数,下同);对抗磨性能影响的主次顺序依次为载荷、添加量、往复频率和摩擦时间,最优条件组合为100 N,50 Hz,180 min,0.3%。蛇纹石矿物在摩擦表面形成的由多种氧化物、石墨和有机化合物等组成的复合摩擦反应膜是改善摩擦和磨损的关键。
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    真空热循环对碳/双马来酰亚胺复合材料低速冲击性能的影响
    高禹, 刘京, 王进, 王柏臣, 崔旭, 包建文
    2020, 48 (7): 154-161.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2019.000694
    摘要 ( 61 )   HTML( PDF (5128KB) ( 30 )   引文文本
    对T700/HT280复合材料进行真空热循环处理(-140~180℃,10-3 Pa),分别测试真空热循环处理前后复合材料的质损率、动态力学性能和低速冲击性能。采用宏观目视、超声C扫描和有限元分析对低速冲击损伤状况进行分析、表征和模拟。结果表明,随真空热循环次数的增加,由于发生析气效应,T700/HT280复合材料及基体树脂的质损率先急剧升高然后趋于平缓。经历真空热循环处理后T700/HT280复合材料出现了一定程度的后固化、热老化和局部界面脱粘。低冲击能时主要损伤模式为基体树脂受到压缩,高冲击能时主要损伤模式转化为基体开裂、复合材料分层。有限元模拟结果与实验结果吻合。随冲击能量的增大,复合材料吸收能增加。冲击能量为30~40 J条件下,吸收能可以有效地表征出真空热循环对复合材料的环境损伤效应。
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    PTFE/epoxy全有机超疏水涂层制备
    李为民, 彭超义, 杨金水, 邢素丽
    2020, 48 (7): 162-169.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2018.001097
    摘要 ( 78 )   HTML( PDF (4033KB) ( 22 )   引文文本
    采用纳米粒子构筑微-纳粗糙结构制备的超疏水涂层一般存在抗水流冲击能力差的缺点,极大限制了其户外应用前景。利用环氧树脂和聚四氟乙烯(PTFE)纳米粒子,通过喷涂和模压两种工艺分别制备低声阻系数的全有机超疏水涂层,基于水流冲击破坏机理设计实验分析涂层的抗水流冲击性能,并与商用超疏水涂层对比。结果表明:PTFE粒子为70%(质量分数,下同)时,其疏水性能最佳,静态接触角为164.13°,滚动角为3°;PTFE粒子为75%时,其抗水流冲击性能最佳,在被速度为22.77 m/s的水流冲击后接触角仍达到154.62°;与喷涂法相比,模压法能进一步提高涂层的抗水冲击性能。本研究所制备的全有机超疏水涂层同时还具有良好的附着性能和耐磨性能,在进行25次黏附剥离实验后涂层表面接触角为150.51°,滚动角为4°,在进行20次磨损实验后涂层表面接触角为149.21°,滚动角为9°。
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    PA66纤维含量对多孔铝基陶瓷型芯气孔率的影响
    芦刚, 查军辉, 严青松, 宋方睿, 于航
    2020, 48 (7): 170-175.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2019.000361
    摘要 ( 54 )   HTML( PDF (1604KB) ( 17 )   引文文本
    为了解决氧化铝陶瓷型芯不易脱芯的难题,加入一定量的PA66纤维作为成孔材料,以热压注的方法制备多孔铝基陶瓷型芯。研究PA66纤维含量对铝基陶瓷型芯气孔率,室温抗弯强度和烧结收缩率的影响;分析PA66纤维含量对氧化铝陶瓷型芯气孔率的影响机理。结果表明:PA66纤维的加入显著提高了氧化铝陶瓷型芯的气孔率,有效延缓了型芯的烧结收缩;随着PA66纤维加入量的增多,氧化铝陶瓷型芯气孔率增大,室温抗弯强度和线收缩率均减小。当PA66纤维含量为0.9%(质量分数)时,氧化铝陶瓷型芯的气孔率为41.14%,抗弯强度为15.33 MPa,线收缩率为0.418%。
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    壳聚糖/聚乙烯醇过滤膜的制备及其性能表征
    赵晓燕, 黄晨, 张帅, 汪称意
    2020, 48 (7): 176-183.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2019.000657
    摘要 ( 30 )   HTML( PDF (3706KB) ( 54 )   引文文本
    以壳聚糖(CS)和聚乙烯醇(PVA)为膜原料,将其溶解于冰醋酸(HAc)、甘油和去离子水的混合液中,形成CS/PVA铸膜液,随后通过刮涂成膜的方式制备CS/PVA复合膜。实验结果表明:在膜的相分离过程中,CS/PVA在凝固浴中浸泡40 min,此时膜具有较为完整的表面结构及疏松的内部孔隙结构。其纯水通量为(90.56±3.92)L/(m2·h),对牛血清蛋白的截留率可达(93.33±2.83)%。进一步利用此条件下的复合膜对分散黄、分散黑以及分散蓝3种染料进行过滤吸附性能测试,CS/PVA复合膜完整致密的表层结构对染料起到了有效的物理阻隔作用。除此之外,复合膜分子结构中的羟基基团能够与目标染料的氨基基团发生分子内氢键作用,而进一步提高过滤膜对染料的吸附能力。CS/PVA复合膜在130 min时对分散黄、分散黑以及分散蓝染料的过滤吸附逐渐趋于平衡(3种染料初始浓度均为0.1 g/L,过滤操作压力为0.15 MPa),其最终的平衡过滤吸附量分别为(294.42±1.34),(257.77±0.28),(210.74±1.06)mg/g。随后进行染料移除率实验,在NaOH溶液的作用下,CS/PVA复合膜的染料移除率可以达到96%,有利于膜的回收再利用。
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