靜電紡CNTs-PMIA納米纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的制備及其結(jié)構(gòu)性能的研究.pdf

1、納米材料已經(jīng)成為推動當(dāng)代科學(xué)技術(shù)進(jìn)步的重要支柱之一，如何制備性能優(yōu)異的納米復(fù)合材料已經(jīng)成為納米技術(shù)研究非常重要的一個(gè)課題。
　　 碳納米管(CNTs)作為一維納米材料，其特殊的結(jié)構(gòu)決定了它擁有許多異常的力學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、化學(xué)、光學(xué)和熱學(xué)等性能，被認(rèn)為是復(fù)合材料的理想增強(qiáng)體，但CNTs易團(tuán)聚，分散性不好，很大程度地削弱和降低了碳納米管賦予基體的功能性與結(jié)構(gòu)增強(qiáng)作用。
　　 靜電紡絲是制備納米纖維最簡便、最有效的方法之一。隨

2、著靜電紡技術(shù)的發(fā)展，研究人員將CNTs和各種聚合物混合，制備了性能優(yōu)良的CNTs/聚合物復(fù)合納米纖維。靜電紡納米纖維膜既具有納米材料的共性，又具有納米纖維構(gòu)成的纖維膜/氈獨(dú)特的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，用其來增強(qiáng)復(fù)合材料，能與聚合物基體間形成良好的界面粘結(jié)。聚間苯二甲酰間苯二胺(PMIA)具有耐高溫、耐化學(xué)腐蝕及離開火焰自熄等特點(diǎn)，用途非常廣泛。目前，國內(nèi)外在PMIA納米纖維研究方面的報(bào)道屈指可數(shù)，對于定向排列PMIA納米纖維的研制還處于空白。

3、　　 本文對靜電紡：PMIA納米纖維的制備工藝進(jìn)行了優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)在PMIA溶解溫度為90℃、PMIA質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12％、紡絲電壓為23kv、紡絲距離為11cm、收集輥轉(zhuǎn)速為6m/min、噴絲頭移動速度為14cm/min、紡絲流量為0.26ml/h的條件下制備的靜電紡PMIA納米纖維微觀形貌良好。
　　 為了解決MWNTs易團(tuán)聚、分散性差的問題，首先對其進(jìn)行酸化處理，然后進(jìn)行酰氯化處理，最后通過用非離子表面活性劑TrixtonX-1

4、00對MWNTs進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)了TrixtonX-100分子長鏈對碳納米管的吸附與包裹，提高了MWNTs的分散穩(wěn)定性。制備了不同MWNTs質(zhì)量分?jǐn)?shù)的MWNTs/PMIA復(fù)合納米纖維，研究發(fā)現(xiàn)隨著MWNTs質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，纖維直徑減小。質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小時(shí)，MWNTs分散良好，且沿纖維軸向定向排列。質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高時(shí)，MWNTs出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，團(tuán)聚越嚴(yán)重；添加MWNTs，纖維的晶格類型沒有發(fā)生變化，熱穩(wěn)定性得到提升較為顯著。隨著MWNT

5、s質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，纖維膜的拉伸斷裂強(qiáng)度和初始模量呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，斷裂伸長率減小。當(dāng)MWNTs質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6％時(shí)，拉伸斷裂強(qiáng)度和初始模量分別增加了約86％和241％。添加MWNTs后，纖維膜電導(dǎo)率提升近10個(gè)數(shù)量級。
　　 通過改變紡絲液中LiC1的質(zhì)量分?jǐn)?shù)制備了定向排列的靜電紡PMIA納米纖維膜。增大LiC1的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，紡絲液粘度增大，電導(dǎo)率則先增大后減小。通過理論分析發(fā)現(xiàn)，粘滯力的增大和電導(dǎo)率的減小是導(dǎo)致定向纖維形成

6、的主要因素。干熱拉伸能夠提高定向排列納米纖維的結(jié)晶度、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以及拉伸力學(xué)性能。在一定范圍內(nèi)增加拉伸負(fù)荷，有利于纖維力學(xué)性能的改善，但過長的拉伸時(shí)間會導(dǎo)致纖維性能下降。在負(fù)荷為12N，時(shí)間為15min時(shí)，PMIA纖維膜的拉伸斷裂強(qiáng)度和初始模量分別增大了50％和196％左右，MWNTs/PMIA纖維膜的拉伸斷裂強(qiáng)度和初始模量分別增大了43％和220％左右。
　　 探索并優(yōu)化了PMIA納米纖維增強(qiáng)PLA復(fù)合材料的熱壓工藝，結(jié)果

7、表明在壓強(qiáng)為1000Pa，溫度為180℃，時(shí)間為30min的條件下制備的復(fù)合材料拉伸力學(xué)性能最好。制備了不同纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的單一方向PMIA/PLA復(fù)合材料。隨著纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，拉伸力學(xué)性能先增大后減小，當(dāng)纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為38.26％時(shí)，拉伸斷裂強(qiáng)度和初始模量比純PLA分別提高了約235％和149％。PMIA/PLA復(fù)合材料的T5％、T10%、T50％都低于純PLA，并且隨著納米纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大呈減小的趨勢；當(dāng)纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為48.62

8、％時(shí)，T5%、T10%、T50％比純PLA分別減小了19％、17％、17％左右，但T75％提高了1.91％，最終殘留率隨著纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而增大。復(fù)合材料的動態(tài)儲能模量和損耗模量均高于純PLA。在低溫區(qū)域，隨纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，儲能模量和損耗模量都呈先增大后減小趨勢；在高溫區(qū)域，儲能模量和損耗模量隨纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而增大。
　　 研究了單一方向、45°交錯(cuò)和90°交錯(cuò)三種復(fù)合形式得到的層合式復(fù)合材料不同拉伸方向的力學(xué)性能及斷

9、口特征，結(jié)果表明復(fù)合材料的拉伸力學(xué)性能主要由承擔(dān)載荷的纖維的拉伸力學(xué)性能決定，拉伸斷口因纖維膜的層合方式及拉伸方向的不同而存在一定的差異。
　　 在纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)相近時(shí)，MWNTs/PMIA/PLA復(fù)合材料的拉伸斷裂強(qiáng)度和初始模量比PMIA/PLA復(fù)合材料分別提高了約59％和74％。兩者的動態(tài)儲能模量和損耗模量隨溫度的變化趨勢相同。和PMIA/PLA相比，低溫區(qū)時(shí)，MWNTs/PMIA/PLA的儲能模量和損耗模量的增幅較大，高溫區(qū)