苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物电纺纤维膜的制备及性能

摘要

在纤维工业的发展中，使纤维超细化是一个重要发展方向。随着纳米科技的迅速发展，纳米纤维的制备和应用成为研究热点。静电纺丝由于可以利用高分子溶液或熔体，在高压静电场条件下，制备亚微米或纳米纤维，成为制备超细纤维最重要、最可行的方法。静电纺丝的最大特点是所得纤维直径非常细。制备的电纺纤维或膜由于具有非常高的比表面积、孔隙率，非常小的纤维直径、孔隙尺寸，使其在医学修复、过滤、防护服饰、组织支架、药物给送系统、高性能电池、催化、传感器等方面具有巨大的应用前景。苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)是性能优异的热塑性弹性体，实现了橡胶弹性和热塑性的完美结合。有报道显示，弹性体纳米纤维在气体过滤领域具有独特优势。因此，对SBS进行静电纺丝研究，制备电纺纤维膜，可望在气体过滤领域得到应用。 本论文用质量比为3：1的四氢呋喃(THF)和N,N二甲基甲酰胺(DMF)混合溶液作溶剂，通过气流-静电纺丝，制得了苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)超细纤维。通过扫描电镜(SEM)分析，讨论了纺丝溶液浓度、电压、接收距离和喷丝头内径对电纺纤维形貌、直径及其分布的影响，找到了SBS电纺最优工艺参数。通过聚丙烯(PP)无纺布作基材，得到不同厚度的SBS电纺纤维膜，并对其进行了力学和热学性能测试和分析。 通过电镜观察发现，溶液浓度对电纺纤维的直径和形貌有着非常重要和直接的影响。当溶液浓度由10％增加18％时，电纺纤维平均直径随之成线性增加，直径分布逐渐变宽。当溶液浓度为10％时，电纺纤维成珠粒状。随着浓度的增加，纤维形貌由“珠粒”逐渐过渡到纺锤状，并且浓度为14％时珠粒基本消失。当电压由23.8kV增加到33.8kV时，SBS纤维平均直径先减小后增加。接收距离对电纺纤维直径及其分布没有明显影响。当接收距离由10cm增加到30cm时，纤维平均直径依次为433nm、429nm和401nm，有轻微减小。然而当接收距离太短时，溶剂挥发不完全，纤维容易粘连，会出现“珠粒”结构；接收距离太长，射流不稳定。喷丝头内径对电纺纤维直径有显著影响。喷丝头内径增大，电纺纤维平均直径随之增加，且直径分布变宽。溶液质量浓度为14％，电压为28.8kV，接收距离为20cm，喷丝头内径为0.27mm为适宜纺丝条件，在此条件下制得了平均直径为429nm的SBS电纺纤维。 DSC分析表明，与SBS切片相比，电纺纤维PB相的玻璃化温度向低温方向移动，这是由于电纺过程中快速拉伸、溶剂的迅速挥发，聚合物嵌段只有很少的时间发生聚集等原因造成的。电纺纤维PS相的玻璃化温度升高，而且随着电纺浓度减小而分别增大，这是由于，电纺过程中溶剂存在条件下的高速拉伸有利于硬性PS链段的取向和聚集。PS相玻璃化温度的降低有利于SBS纤维弹性的增强，而PS相玻璃化温度的升高则有利于SBS电纺纤维获得更好的拉伸强度。 初步力学实验表明，SBS电纺纤维膜具有良好的拉伸强度和弹性。随着SBS电纺纤维膜面密度的增加，SBS-PP复合电纺纤维无纺布断裂强力不断增大。当电纺纤维膜面密度为0.79、0.96、1.6 g/m<'2>时，相对纯PP无纺布，断裂强力分别增加4.3％、4.9％、10％。近似计算表明SBS电纺纤维膜拉伸强度是PP无纺布2.6倍。此外，当电纺纤维膜的面密度为1.6 g/m<'2>时，样品断裂伸长率相对纯PP无纺布增加24％。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1纳米科技与纳米材料

1.1.1纳米科技

1.1.2纳米材料

1.2纳米纤维

1.2.1纳米纤维的定义

1.2.2纳米纤维的制备方法

1.3静电纺丝

1.3.1静电纺丝的基本概念

1.3.2静电纺丝装置

1.3.3静电纺丝理论分析

1.3.4静电纺丝影响参数

1.3.5静电纺丝发展历史及国内外研究现状

1.3.6纳米纤维的应用

1.3.7静电纺丝目前存在的问题和挑战

1.4本论文的研究目的和意义

第二章SBS电纺超细纤维的制备及其影响因素

2.1引言

2.2实验部分

2.2.1主要试剂

2.2.2 SBS电纺溶液的配制

2.2.3气流-静电纺丝机

2.2.4形貌测试及数据分析

2.3结果与讨论

2.3.1浓度对电纺纤维形貌和直径及其分布的影响

2.3.2电压对电纺纤维直径及其分布的影响

2.3.3接收距离对电纺纤维直径及其分布的影响

2.3.4喷丝头内径对电纺纤维直径及其分布的影响

2.4小结

第三章SBS电纺超细纤维膜的制备及性能表征

3.1引言

3.2实验部分

3.2.1主要试剂及设备

3.2.2电纺溶液的配制及电纺工艺条件

3.2.3 SBS电纺纤维膜的制备

3.2.4力学性能测试

3.2.5差示扫描量热分析

3.3结果与讨论

3.3.1电纺对SBS玻璃化温度的影响

3.3.2电纺纤维膜的力学性能

3.4小结

第四章结论及展望

4.1结论

4.2今后工作设想

参考文献

硕士期间发表的论文

致谢