聚酯納米纖維及其集合體的制備與結(jié)構(gòu)性能研究.pdf

1、納米纖維比表面積大、長(zhǎng)徑比高、并且與其他物質(zhì)的互相滲透力強(qiáng),因此納米纖維潛在應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。
　　本文采用聚酯/纖維素酯不相容體系共混熔融擠出過(guò)程中形成納米尺度纖維狀分散相的方法制備聚對(duì)苯二甲酸乙二酯(PET)、聚對(duì)苯二甲酸丙二酯(PTT)、聚對(duì)苯二甲酸丁二酯(PBT)納米纖維,研究了粘彈性、組分比、剪切速率、拉伸比等條件對(duì)納米纖維形態(tài)和尺寸的影響。研究發(fā)現(xiàn),通過(guò)調(diào)控共混體系的粘彈性、組分比以及選擇合適的加工條件,可將納米纖維的直徑

2、控制在100-500nm范圍內(nèi)。當(dāng)粘度比和彈性比分別小于1.18、0.11時(shí),納米纖維平均直徑隨粘度比和彈性比上升而增加。當(dāng)粘度比和彈性比分別超過(guò)1.95、0.57時(shí),納米纖維平均直徑隨粘度比和彈性比升高而減小,最終將趨于平衡。當(dāng)共混體系的組分比為10/90-30/70范圍內(nèi)時(shí),將獲得成形良好的納米纖維,并且納米纖維的平均直徑及其分布隨組分比增加而增加。當(dāng)共混體系的組分比為40/60時(shí),仍將獲得納米纖維,但是其尺寸不勻,有直徑較大的條狀

3、結(jié)構(gòu)存在。當(dāng)共混體系組分比為50/50時(shí),分散相和基體形成雙連續(xù)結(jié)構(gòu),無(wú)法獲得納米纖維。當(dāng)拉伸比小于15時(shí),隨拉伸比增加,納米纖維平均直徑及其分布將下降。但是當(dāng)拉伸比大于15后,納米纖維平均直徑下降緩慢,最終將趨于平衡。納米纖維直徑和分布與剪切速率的變化無(wú)關(guān)。將雙螺桿熔融擠出所得試樣浸泡在丙酮中去除CAB基體,可收集得到相對(duì)有序或無(wú)序排列的納米纖維集合體,可進(jìn)行簡(jiǎn)單的后續(xù)加工。為實(shí)現(xiàn)對(duì)聚合物體系形態(tài)結(jié)構(gòu)的有效控制,需要了解共混擠出過(guò)程中

4、分散相的形態(tài)演化機(jī)理。
　　本文通過(guò)分段取樣法分析了聚酯/纖維素酯體系中分散相在熔融擠出過(guò)程中的形態(tài)演化,研究了聚酯納米纖維的成型機(jī)理,并且探討了粘彈性、組分比以及剪切速率對(duì)分散相形態(tài)演化的影響。分散相在雙螺桿熔融擠出過(guò)程中的形態(tài)發(fā)展過(guò)程包括:形態(tài)發(fā)展初期,分散相將鋪展成片狀結(jié)構(gòu);當(dāng)片層結(jié)構(gòu)達(dá)到足夠薄時(shí),其表面出現(xiàn)孔洞;隨著孔洞逐漸聚集并增大,形成易破裂的網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)。形態(tài)發(fā)展中期,網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)破裂形成大量不規(guī)則的片狀、橢球狀以及纖維狀

5、分散相,這些破裂的分散相將在剪切拉伸作用下形成纖維。形態(tài)發(fā)展末期,受剪切拉伸作用的影響,分散相尺寸進(jìn)一步細(xì)化,最終形成納米纖維。粘彈性、組分比以及剪切速率均不會(huì)對(duì)分散相的形態(tài)演化模式產(chǎn)生影響,但是會(huì)影響分散相在中期和末期所形成纖維的尺寸。分散相形態(tài)尺寸隨粘彈性變化沒(méi)有明顯的規(guī)律;隨組分比增加其形態(tài)發(fā)展中期和末期的平均直徑增加;剪切速率變化對(duì)其沒(méi)有明顯影響。分析并預(yù)測(cè)不同條件參數(shù)時(shí)聚合物體系分散相尺寸的變化趨勢(shì),將有利于實(shí)現(xiàn)對(duì)不相容聚合物

6、體系分散相形態(tài)尺寸的有效控制,獲得所需性能制品?？紤]到粘彈性、組分比、剪切速率以及拉伸比對(duì)分散相形態(tài)與尺寸的影響,結(jié)合實(shí)驗(yàn)情況,對(duì)傳統(tǒng)計(jì)算分散相粒徑大小的理論模型進(jìn)行修正,獲得兩種修正模型,并利用其對(duì)不同條件參數(shù)時(shí)所得納米纖維的尺寸進(jìn)行分析與預(yù)測(cè)。結(jié)果表明:相對(duì)于模型一而言,模型二計(jì)算所得分散相尺寸的預(yù)測(cè)值偏差較小,準(zhǔn)確度較高。當(dāng)聚合物共混體系的組分比、剪切速率以及拉伸比變化時(shí),可通過(guò)分析模型一和模型二計(jì)算所得分散相尺寸的預(yù)測(cè)值,來(lái)判斷

7、納米纖維實(shí)際值的變化趨勢(shì)。但是當(dāng)聚合物粘彈性發(fā)生變化時(shí),只能通過(guò)模型一來(lái)判斷納米纖維實(shí)際值的變化趨勢(shì)。除此之外,X光小角散射法(SAXS)也可用于研究多相聚合物體系的相態(tài)結(jié)構(gòu),并得到相應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。
　　本文利用小角x射線散射理論對(duì)不同條件參數(shù)時(shí)所得共混體系的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。當(dāng)組分比和剪切速率不同時(shí),相關(guān)距離ac與平均弦長(zhǎng)L的變化趨勢(shì)與分散相納米纖維尺寸實(shí)際值的變化趨勢(shì)相一致,表明光散射分析具有可靠性;但是當(dāng)拉伸比不同時(shí),SAXS

8、測(cè)試結(jié)果不能反映其所帶來(lái)的變化。同時(shí)還通過(guò)SAXS對(duì)升溫和降溫過(guò)程中不同溫度時(shí)共混體系的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行分析。升溫過(guò)程中溫度高于200℃時(shí),以及降溫過(guò)程中溫度低于110℃時(shí),共混體系的結(jié)構(gòu)將發(fā)生明顯變化。為了探討由本方法制備所得聚酯納米纖維的用途,采用濕法成網(wǎng)法制備了PTT納米纖維膜,并且利用熱處理和加入聚丙烯(PP)熱熔纖維兩種方法對(duì)PTT納米纖維膜進(jìn)行改性。分析了PTT納米纖維膜、熱處理PTT納米纖維膜以及PP/PTT復(fù)合納米纖維膜的形

9、態(tài)、力學(xué)性能、孔隙率、比表面積、孔徑與孔徑分布以及水通量等性能。結(jié)果表明:經(jīng)過(guò)熱處理和加入PP熱熔纖維后,納米纖維膜的力學(xué)性能提高、孔徑及其分布變小。不同的是,熱處理PTT納米纖維膜的孔隙率和水通量沒(méi)有明顯差異,但PP/PTT復(fù)合納米纖維膜的孔隙率和水通量下降較嚴(yán)重,將影響其使用性能。在綜合考慮納米纖維膜性能的基礎(chǔ)上,選擇PTT熱處理納米纖維膜進(jìn)行后續(xù)的過(guò)濾性能測(cè)試,通過(guò)水通量裝置研究了其對(duì)TiO:超細(xì)粉體懸浮液的錯(cuò)流微濾過(guò)程。結(jié)果表明

10、:PTT納米纖維膜對(duì)Ti02顆粒的截留率達(dá)99％以上。隨著過(guò)濾進(jìn)行,納米纖維膜的滲透通量逐漸下降,說(shuō)明其過(guò)濾阻力逐漸增加,膜孔堵塞和吸附阻力是造成納米纖維膜通量下降的主要原因。綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知:由此方法制備所得納米纖維膜性能良好,將在過(guò)濾、生物醫(yī)用等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用前景。碳納米管(CNTs)不僅具有優(yōu)異的力學(xué)和電學(xué)性能,而且直徑范圍小、與聚合物相容性好,將其與聚合物復(fù)合,可改善聚合物的機(jī)械、光、電、磁和熱性能等。
　　本文采用兩步

11、共混法制備得到了不同CNTs含量的CNTs/PTT復(fù)合納米纖維。利用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(FESEM)和掃描電子顯微鏡(SEM)分析了CNTs/PTT復(fù)合納米纖維的形態(tài)和尺寸,并且利用差式掃描量熱儀(DSC)、熱失重分析儀(TGA)、X射線衍射儀(XRD)等分析了CNTs/PTT復(fù)合納米纖維的結(jié)晶以及熱降解等性能。結(jié)果表明:PTT中添加CNTs后,納米纖維表面粗糙,CNTs/PTT納米纖維的直徑及其分布相對(duì)純PTT納米纖維而言無(wú)明顯差異。隨C