复合静电纺制备螺旋纳米纤维影响因素的研究

摘要

仿生结构的螺旋纳米纤维由于具有独特的结构性能而受到关注。将螺旋结构引入微纳米纤维，不仅保持微纳米纤维高比表面积、高孔隙率的性能，而且添加了一些优良的性能：螺旋纳米纤维类似弹簧的结构使其具有较大的伸长；三维螺旋结构为纤维提供更多的空腔，使其拥有更高的孔隙率。采用复合静电纺丝技术制备出的微纳米纤维膜同时具备两种聚合物的特性，相对于传统静电纺的纤维膜而言具有更为广泛的应用。
　　本文主要以两种弹性不同的高聚物为原料，采用复合静电纺丝技术制备螺旋纳米纤维，并较系统地研究了喷嘴结构（包括同轴、偏芯和并列）、聚合物种类（包括弹性聚合物和刚性聚合物）、溶液性质（包括LiCl的添加量、溶解TPU的溶剂和聚合物溶液的浓度与粘度）和纺丝工艺参数（包括纺丝电压、喷嘴到滚筒的距离、滚筒的转速和芯壳溶液流速比）对螺旋纳米纤维形成的影响，并对纤维膜的力学性能进行了测试。
　　本文第二章以聚间苯二甲酰间苯二胺（Nomex）和聚氨酯（TPU）为原料制备螺旋纳米纤维，并对纤维膜的力学性能进行测试，结果表明具有螺旋结构的纤维具有较好的伸长性能。采用不同结构的喷嘴进行复合静电纺，结果表明三种结构的喷嘴均能制备出螺旋纳米纤维，但螺旋纤维的形成效率存在较大的差异，偏芯喷嘴螺旋纳米纤维的形成效率最高。利用偏芯喷嘴，将芯壳溶液互换也可制备出螺旋纳米纤维，但粗细不均匀。将偏芯结构的喷嘴进行改进，进行复合静电纺，发现两种聚合物溶液的混溶时间过长或过短都不利于螺旋纳米纤维的形成，两种聚合物溶液的混溶时间过长，在纺丝过程中两种聚合物受力差异小不利于螺旋的形成。混溶时间过短，大部分溶液以单组分的形式被拉伸成丝，也不利于螺旋的形成。
　　本文第三章以两种TPU和三种刚性聚合物组分（Nomex, PAN， PS）进行复合静电纺丝，研究发现聚合物种类对螺旋纳米纤维形成有显著的影响。Nomex/聚酯型TPU可以制备出螺旋结构纳米纤维，而Nomex/聚醚型TPU不能够制备出螺旋纳米纤维。弹性聚合物选用聚酯型TPU，分别对Nomex/TPU、PAN/TPU和PS/TPU进行复合静电纺，发现Nomex/TPU体系可制备出较多的螺旋纳米纤维，PAN/TPU体系制备出的螺旋纳米纤维较少，PS/TPU体系不能制备出螺旋纳米纤维。利用红外光谱技术进行分析发现，Nomex/TPU体系中，两种高聚物分子间形成了大量氢键，PAN/TPU体系中，两种高聚物分子有氢键形成，PS/TPU体系中，两种高聚物不能够形成氢键。利用差示扫描量热技术发现，Nomex与TPU之间发生部分混溶，PAN与TPU混溶性好，而PS与TPU完全不相容。
　　本文第四章研究了纺丝溶液性质包括电导率、溶剂挥发性、浓度和粘度对螺旋纳米纤维形成的影响。将LiCl含量不同的Nomex溶液分别与TPU溶液进行复合静电纺，Nomex溶液中LiCl的含量高，溶液的电导率大，不利于螺旋纳米纤维的形成。溶解 TPU的溶剂与溶解 Nomex的溶剂结构相同或相似，两种溶剂相容性好，不利于螺旋纳米纤维形成，两种溶剂相容性差且有一定挥发性，螺旋纳米纤维形成效率高。将不同浓度的刚性聚合物和弹性聚合物组合，分别进行复合静电纺，两种聚合物溶液的浓度差异对螺旋纳米纤维纤维的形成影响不大，但对纤维直径有较大的影响，在 Nomex的浓度不变的情况下，随TPU溶液浓度的增加，纤维直径先减小后增大；在TPU溶液浓度不变的情况下，随Nomex溶液浓度的增大，纤维直径逐渐增大。
　　本文第五章研究了纺丝工艺参数包括电压、接收距离、滚筒转速、两种组分流速比对螺旋纳米纤维形成的影响。实验结果表明电压越低螺旋纳米纤维的制备效率越高。在喷嘴到滚筒的距离为15cm时，螺旋纳米纤维的制备效率最高。滚筒转速大，滚筒对纤维的拉伸作用增强，纤维易沿滚筒转动的方向取向，不利于螺旋纳米纤维的形成。在芯壳溶液的流速比为1:1时，螺旋纳米纤维的形成效率最高，增加芯溶液或壳溶液的量，可使两种组分的内应力差异变大，不利于螺旋纳米纤维的形成。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 复合静电纺的研究现状

1.2 螺旋纳米纤维的研究现状

1.3 课题研究的意义及内容

第二章 喷嘴结构对螺旋纳米纤维形成的影响

2.1 实验

2.2 结果和讨论

2.3 本章小结

第三章 聚合物种类对螺旋纳米纤维形成的影响

3.1 实验

3.2 结果和讨论

3.3 本章小结

第四章 溶液性质对螺旋纳米纤维形成的影响

4.1 实验

4.2 结果和讨论

4.3 本章小结

第五章 纺丝工艺参数对螺旋纳米纤维形成的影响

5.1 实验

5.2 结果和讨论

5.3 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 本文的主要结论

6.2 存在问题和发展方向

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢