溶液喷射纺丝制备MWNTs/PMIA纳米纤维的研究

摘要

聚间苯二甲酰间苯二胺（PMIA）分子主要为酰胺基团连接间位苯基所构成的线性大分子，其纳米纤维具有优异的耐高温和耐酸碱性能，是作为高温和酸碱过滤的理想材料，但是纤维强度和其他柔性大分子纤维相当，大大限制了其应用范围。本论文采用多壁碳纳米管（ MWNTs）作为增强材料，采用溶液喷射纺丝技术制备MWNTs/PMIA纳米纤维，探讨了各种纺丝条件下制得纳米纤维的形貌结构变化，研究了MWNTs的加入对纤维结构性能的影响，并研究了制得的MWNTs/PMIA纳米纤维膜的透气透水性能、过滤性能及耐高温和耐强酸强碱性能。
　　论文首先研究提高了MWNTs在DMAc中的分散性。主要研究了MWNTs的酸化、酰氯化处理及接枝乙二胺、1，6己二胺和十八胺等不同的化学改性方法对MWNTs在DMAc中分散性的影响，并探讨了MWNTs/PMIA纺丝液的流变性能。结果表明：各改性剂分子均被有效接枝到MWNTs表面，使MWNTs的无序化程度明显增大；改性后MWNTs在DMAc中的分散性均有所提高，其中十八胺接枝改性MWNTs的分散性效果最好，但是其化学工艺较为复杂，周期长，不利于工业化生产。采用酸化处理的MWNTs作为增强材料，配制成MWNTs/PMIA纺丝液进行流变性能研究，溶液的剪切粘度及出现切力变稀的临界剪切速率随MWNTs负载量的增加而增大,溶液温度升高使，溶液剪切粘度下降，而出现切力变稀的临界剪切速率则增大。其次，论文对MWNTs/PMIA溶液喷射纺丝工艺进行了探究，探讨了牵伸风压、气室大小和气流量大小对纺丝射流形态的影响，探究了不同喷丝孔内径、牵伸风压、接收距离条件下制得MWNTs/PMIA纳米纤维的表观形貌结构变化，研究了MWNTs负载量对制得纳米纤维膜结构性能的影响。结果表明：随牵伸风压的增大，溶液射流出现类似泰勒锥的形态结构，射流稳定性逐渐增大并被有效吹散形成纳米纤维，但牵伸风压过高会造成纤维并丝及液滴现象严重，在牵伸风压为0.12MPa时形成的纳米纤维直径最小，分布最为均匀；在喷丝孔内外径分别为0.51mm和0.8mm时，采用较细外管形成气室过小，无法制得纳米纤维，气室过大会造成气体浪费，当气室内径为1.6mm、风压大于0.1MPa时，溶液射流比较稳定；随喷丝孔内径减小，制得的纳米纤维并丝减少，直径分布均匀，但喷丝孔内径过小又会致使纤维并丝粘连，最佳喷丝孔内径为0.4~0.5mm；在MWNTs负载量为0.3％，喷丝孔内外径分别为0.51mm和0.8mm，外管内径1.6mm，牵伸风压0.12MPa，接收距离40cm时，可以制得形貌较好、平均直径为372nm的MWNTs/PMIA复合纳米纤维。随MWNTs负载量的增大，制得的复合纳米纤维直径变粗，纤维膜结晶度和力学性能变高，但负载量过高时纤维膜形貌开始变差，负载量为0.3%时，MWNTs对纳米纤维膜的增强效果最佳，制得复合纳米纤维膜的力学强度达41.85MPa，较纯PMIA纳米纤维膜提高了86%以上。
　　论文最后探讨了面密度对MWNTs/PMIA纤维膜孔径分布、透气透水性能和过滤性能的影响，并研究了MWNTs/PMIA纳米纤维膜的耐高温性能和耐强酸强碱性能。结果表明：随着纳米纤维膜面密度的增大，纤维膜的孔径有所减小，透气性和透水性能降低，同时纤维膜的透气性透水性能随过滤压力的增大而有所增加。对不同粒径的PS微球进行过滤时，过滤效率随纤维膜面密度增加而增大，密度为33.2 g/m2的纤维膜对粒径为2.5μm及以上的微球过滤效率达100%。MWNTs/PMIA纳米纤维膜在250℃及以下处理时，随热处理时间的延长，纤维膜强度逐渐变大，至处理12h后有所下降，280℃处理时，纤维膜强度下降比较明显。纤维膜的断裂伸长率在不同温度下处理初期都有一定伸长，在较高温度处理较长时间后才有所下降；MWNTs/PMIA纳米纤维膜的耐强酸强碱性能均较好，4 mol/L烧碱溶液处理12h后和1 mol/L硫酸溶液处理4h后，纤维膜的强度保持率均为55%以上，适用于在强酸强碱的过滤环境中使用；相比而言，纤维膜的耐碱性能比耐酸性能要好。

目录

声明

第1章 绪论

1.1引言

1.2溶液喷射纺丝技术

1.3碳纳米管和间位芳纶纳米纤维膜

1.4本课题的研究内容

第二章MWNTs/PMIA溶液的制备

2.1引言

2.2实验部分

2.3实验测试方法

2.4结果与分析

2.5 本章小结

第三章 MWNTs/PMIA溶液喷射纺丝研究

3.1引言

3.2实验部分

3.3实验测试方法

3.4结果与讨论

3.5本章小结

第四章 MWNTs/PMIA纳米纤维膜的性能研究

4.1引言

4.2 实验部分

4.3实验测试方法

4.4 结果与讨论

4.6本章小结

第五章总结

参考文献

研究生期间发表论文

致谢