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、長徑比高、并且與其他物質(zhì)的互相滲透力強,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程中形成納米尺度纖維狀分散相的方法制備聚對苯二甲酸乙二酯(PET)、聚對苯二甲酸丙二酯(PTT)、聚對苯二甲酸丁二酯(PBT)納米纖維,研究了粘彈性、組分比、剪切速率、拉伸比等條件對納米纖維形態(tài)和尺寸的影響。研究發(fā)現(xiàn),通過調(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,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1.95、0.57時,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,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,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,分散相和基體形成雙連續(xù)結(jié)構(gòu),無法獲得納米纖維。當(dāng)拉伸比小于15時,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,可收集得到相對有序或無序排列的納米纖維集合體,可進(jìn)行簡單的后續(xù)加工。為實現(xiàn)對聚合物體系形態(tài)結(jié)構(gòu)的有效控制,需要了解共混擠出過程中

4、分散相的形態(tài)演化機理。
　　本文通過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程中的形態(tài)演化,研究了聚酯納米纖維的成型機理,并且探討了粘彈性、組分比以及剪切速率對分散相形態(tài)演化的影響。分散相在雙螺桿熔融擠出過程中的形態(tài)發(fā)展過程包括: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,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對分散相的形態(tài)演化模式產(chǎn)生影響,但是會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;剪切速率變化對其沒有明顯影響。分析并預(yù)測不同條件參數(shù)時聚合物體系分散相尺寸的變化趨勢,將有利于實現(xiàn)對不相容聚合物

6、體系分散相形態(tài)尺寸的有效控制,獲得所需性能制品。考慮到粘彈性、組分比、剪切速率以及拉伸比對分散相形態(tài)與尺寸的影響,結(jié)合實驗情況,對傳統(tǒng)計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,并利用其對不同條件參數(shù)時所得納米纖維的尺寸進(jìn)行分析與預(yù)測。結(jié)果表明:相對于模型一而言,模型二計算所得分散相尺寸的預(yù)測值偏差較小,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,可通過分析模型一和模型二計算所得分散相尺寸的預(yù)測值,來判斷

7、納米纖維實際值的變化趨勢。但是當(dāng)聚合物粘彈性發(fā)生變化時,只能通過模型一來判斷納米纖維實際值的變化趨勢。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射線散射理論對不同條件參數(shù)時所得共混體系的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。當(dāng)組分比和剪切速率不同時,相關(guān)距離ac與平均弦長L的變化趨勢與分散相納米纖維尺寸實際值的變化趨勢相一致,表明光散射分析具有可靠性;但是當(dāng)拉伸比不同時,SAXS

8、測試結(jié)果不能反映其所帶來的變化。同時還通過SAXS對升溫和降溫過程中不同溫度時共混體系的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行分析。升溫過程中溫度高于200℃時,以及降溫過程中溫度低于110℃時,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)的過濾性能測試,通過水通量裝置研究了其對TiO:超細(xì)粉體懸浮液的錯流微濾過程。結(jié)果表明

10、:PTT納米纖維膜對Ti02顆粒的截留率達(dá)99％以上。隨著過濾進(jìn)行,納米纖維膜的滲透通量逐漸下降,說明其過濾阻力逐漸增加,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。綜合實驗結(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純PTT納米纖維而言無明顯差異。隨C