静电纺间位芳纶纳米纤维的结构调控及其性能研究

摘要

间位芳纶（PMIA）的分子链主链由间位的苯环酰胺键组成，具有很强的氢键网络结构，使其表现出突出的热稳定性、耐燃性、自熄性、电绝缘性、耐化学腐蚀性和机械性能。一维PMIA纳米纤维以其特殊的分子结构、功能性以及在防护服、耐高温过滤材料、电绝缘材料、超级电容器、分离器和结构材料等领域的潜在应用，而受到研究者的广泛关注。近年来，静电纺丝技术已被公认为是一种简单有效制备纤维直径在纳米及亚微米尺度的功能化纤维膜的方法。目前，已有文献报道采用静电纺丝技术制备PMIA纳米纤维，但是那些纤维的直径大多在150nm左右，且都是以无规取向排列的无纺布结构存在的，通常只有纤维直径低于20nm时，材料才能具有显著的纳米效应。同时，由于纤维缺乏取向和拉伸，使得材料的机械性能普遍比较低（小于40MPa）。因此，极大的限制了PMIA纳米纤维的实际应用性能。
　　 本课题首先介绍了PMIA和静电纺丝技术，在现有的静电纺PMIA纤维的基础上，采用静电喷网技术一步制备出了PMIA纳米蛛网，其网中纤维平均直径在15nm左右。借助于FE-SEM为主要分析手段，分析了溶液浓度、MWCNTs添加量及静电纺工艺参数（电压、环境湿度、滚筒转速）对PMIA纳米蛛网的形成及结构形貌的影响，同时通过TEM分析证明了MWCNTs被很好的包覆在PMIA纳米纤维中。实验发现，提高溶液浓度和MWCNTs含量，均有利于PMIA纳米蛛网的形成，且纤维直径增大。此外，增加电压，纳米蛛网的网孔增大;提高环境湿度，纳米蛛网消失，纤维间粘连严重;提高滚筒转速，可使网孔呈一定取向排列。本课题从静电喷网制备PMIA纳米蛛网受到启发，通过调控环境湿度、LiCl含量和滚筒转速，制得了具有较好取向性的PMIA纳米纤维膜，利用FE-SEM和拉伸测试分析了以上三个因素对纤维膜取向性和力学性能的影响。实验发现，增加环境湿度和滚筒转速能有效改善纤维的取向性，从而达到提高纤维膜力学性能的目的;而增加LiCl含量虽然能提高纤维取向性，但由于LiCl在纤维中的大量析出导致纤维力学性能下降。本课题又在取向PMIA纳米纤维的研究基础上，在14wt％的PMIA溶液中添加不同含量的MWCNTs，在可获得最好纤维取向性的条件（环境湿度为55％，滚筒转手200转/分）下，制备PMIA/MWCNT复合纳米纤维。利用FE-SEM、拉曼光谱（2D和3D的拉曼显微照片）、X射线衍射光谱、TGA热重分析和拉伸测试手段，分别分析MWCNTs对纤维形貌、纤维膜的分级取向结构、纤维结晶度、热学性能和力学性能的影响。实验结果表明，在MWCNTs含量低于2wt％，增加MWCNTs含量，纤维的取向性、结晶度、热稳定性和力学性能均能获得改善。尤其当MWCNTs含量为1.5wt％时，其纤维膜的取向性最好，拉伸强度达到了316.7MPa，并通过数码照片证实了这一事实。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 前言

1．2 间位芳纶

1．3 静电纺丝技术

1．4 静电纺间位芳纶

1．5 本课题的研究内容及意义

第二章 静电纺丝技术制备PMIA纳米纤维

2．1 前言

2．2 PMIA纳米蛛网纤维的制备

2．3 取向PMIA纳米纤维的制备

2．4 本章小结

第三章 PMIA纳米蛛网的研究

3．1 前言

3．2 溶液浓度对PMIA纳米蛛网的影响

3．3 MWCNTs含量对PMIA纳米蛛网的影响

3．4 静电喷网工艺参数对PMIA纳米蛛网的影响

3．5 本章小结

第四章 取向PMIA纳米纤维的研究

4．1 前言

4．2 溶液浓度对PMIA纳米纤维的影响

4．3 环境湿度对取向PMIA纳米纤维的影响

4．4 LiCl含量对取向PMIA纳米纤维的影响

4．5 滚筒转速对取向PMIA纳米纤维的影响

4．6 本章小结

第五章 PMIA／MWCNT复合纳米纤维的研究

5．1 前言

5．2 PMIA／MWCNT复合纳米纤维的形貌分析

5．3 PMIA／MWCNT复合纳米纤维的结构分析

5．4 PMIA／MWCNT复合纳米纤维的结晶性能分析

5．5 PMIA／MWCNT复合纳米纤维的热学性能分析

5．6 PMIA／MWCNT复合纳米纤维的力学性能分析

5．7 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

攻读硕士期间取得的学术成果

致谢