基于“绿色”电纺水系聚酰胺酸盐制备高强度聚酰亚胺微纤维的研究

摘要

随着航空航天、环境保护、微电子等领域的快速发展，各界对高强、高模、耐热、轻质高分子材料的需求也与日俱增。聚酰亚胺是分子主链结构中含有酰亚胺环的一类高分子材料，其主链结构中芳杂环的高度共轭特性，赋予其纤维高强、高模、耐热等优异性能。近年来，通过静电纺丝技术制备的聚酰亚胺纳米纤维具有大的比表面积、高孔隙率、高强、高模、耐热等特性，广泛应用于锂离子电池隔膜、能源储存、高温过滤、航空航天等领域。尽管通过电纺制备的聚酰亚胺纳米纤维具有很高的强度，但是由于纤维的直径较小，所能承受的断裂强力也较小；同时，为获得连续、均一的纤维，用于电纺的前驱体聚酰胺酸(PAA)溶液的浓度通常低于20%,这意味电纺溶液中含有大量的有毒、不环保的溶剂，如DMAC, DMF, NMP等。为解决以上问题，本论文首先制备了易溶于水的聚酰胺酸盐(PAAS)纳米颗粒，通过电纺PAAS/水-乙醇(PAAS/H2O-C2H5OH)溶液，制备了高强度的聚酰亚胺微纤维。具体工作如下：
　　1.聚酰胺酸盐纳米颗粒的制备与表征：采用低温缩聚和两步溶剂交换法制备了PAAS粉末。结果表明：低温缩聚生成PAA的特性粘度为4.49 dl/g,与N,N-二甲基乙醇胺(DMEA)反应，并经两步溶剂交换后获得的PAAS的特性粘度为6.36 dl/g；第一步溶剂交换过程中，稀释浓度对制备PAAS粉末有较大影响，稀释至5?6%的PAA溶液制备出的PAAS粉末易过滤，操作简便，制备的颗粒为纳米级；此外，分子结构对聚酰胺酸盐(PAAS)的溶解性有较大的影响，分子链中胺盐的密度越大，其溶解性越好，如PMDA-PDA-PAAS,PMDA-ODA-PAAS易溶于水，而BPDA-ODA-PAAS不溶于水。
　　2.聚酰亚胺微纤维的制备及表征：采用上述制备的易溶于水的PMDA-ODA-PAAS纳米颗粒为原料，经“绿色”电纺和热亚胺化后，制备了聚酰亚胺微纤维(PI-MF)纤维膜。测试结果表明PI-MF纤维表面均一、光滑，纤维的直径分布较宽，在1.2?3.2?m之间，其平均直径为1.91?m。机械性能测试结果表明，当亚胺化温度为430℃时，PI-MF纤维膜的机械性能较好，其拉伸强度、模量、断裂伸长率分别为229 MPa,2 GPa,16.1%。TGA测试结果显示，PI-MF纤维膜具有优异的耐热性能，5%热失重温度在481?519℃之间，800℃下的碳残留率在53%左右。热机械性能测试结果显示，PI-MF纤维膜的玻璃转变温度高达382℃，同时其储能模量即使在高温下也具有很好的保持率。
　　3.高强度聚酰亚胺微纤维单丝的制备及表征：采用本实验之前报道的方法， 制备了PI-MF单纤维。其SEM和单纤维的拉伸测试表明，直径为1.94μm的PI-MF单纤维的拉伸强度、模量、断裂强力分别为1036 MPa,5.22 GPa,3061μN。直径为3.06μm的PI-MF单纤维的的拉伸强度、模量、断裂强力分别为989 MPa,8.32 GPa,7270μN。同时也说明了，PI-MF单纤维的拉伸强度和模量随纤维直径变化不大。然而，PI微纤维的断裂强力却从3061μN增加到7270μN；偏振拉曼测试表明，PAAS-MF纤维的取向度为70%，经430℃热处理后的PI-MF纤维的取向度高达91%。XRD测试结果表明，PI-MF部分结晶。电纺溶液中大量电荷的存在及溶剂中氢键的作用，有利于纤维的结晶。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1前言

1.2 聚酰亚胺概述

1.3 聚酰胺酸和聚酰胺酸盐的研究

1.4 静电纺丝技术概述

1.5 本论文的选题背景、意义和研究内容

第二章 聚酰胺酸盐纳米颗粒的制备与表征

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3 结果和讨论

2.4 本章小结

第三章 聚酰亚胺微纤维的制备及表征

3.1引言

3.2实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

第四章 PI-MF单纤维的制备及其性能研究

4.1 引言

4.2实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

第五章 全文总结

参考文献

个人简历

硕士期间的研究成果目录

致谢