静电纺丝制备自修复功能纤维及其自愈合性能表征

摘要

由于复合材料受环境中热、化学、辐射等因素的影响，无法在使用过程中长期保持理想、无缺陷的结构，不可避免会产生微裂纹，而传统的修复方法需耗费大量的人力物力，且无法对材料内部的微裂纹实现快速检测和有效修复，因此，制备具有自诊断及自修复功能的复合材料已成为备受关注的热点。虽然目前已报道的自修复体系多种多样，但常见的自修复材料制备过程相对复杂、操作困难、成本高，甚至涉及复杂的化学反应，极大地限制了自修复材料在航空航天、桥梁等工程领域的广泛应用。基于上述原因，本文以纺丝性能优异的聚苯乙烯为载体，常见的环氧为愈合剂，利用静电纺丝技术制备含有愈合剂的共混及同轴两种复合纤维，系统研究了静电纺丝参数对复合纤维形貌及直径的影响，并将两种复合纤维嵌入聚丙烯酸酯类树脂中，得到具有自修复功能的复合材料，且对其结构及修复性能进行了初步探索，为进一步设计和制备新型自修复材料提供了科学依据和基础数据。论文主要研究内容如下:
　　首先，以聚苯乙烯/愈合剂的共混溶液为纺丝液，利用静电纺丝技术制备了载有愈合剂的共混复合纤维，通过SEM、EDS等表征手段系统研究了纺丝过程中聚苯乙烯浓度、聚苯乙烯/愈合剂的质量配比、纺丝电压、纺丝距离等参数对复合纤维形貌及直径分布的影响规律，确定了共混复合纤维的最佳纺丝工艺为:聚苯乙烯浓度为20 wt％、聚苯乙烯与环氧的质量配比为60/40、纺丝电压为20kV、纺丝流量为5μL/min以及纺丝距离为14 cm。此外，对复合纤维进行XPS、FTIR等测试结果表明，复合纤维中所载愈合剂含量随混合纺丝溶液中环氧组分的增多而明显提高。
　　其次，以低粘度的环氧为芯层材料，28 wt％的聚苯乙烯溶液为壳层材料，利用同轴静电纺丝技术制得具有核-壳结构的复合纤维，研究了纺丝过程中环氧流速对复合纤维形貌及直径分布的影响规律，并对核壳复合纤维进行了成分与结构的分析表征。研究发现，愈合剂成功被封装于纤维核中，形成了理想的核壳结构。而且当同轴喷头与接收装置间的距离为16 cm，外场电压为22 kV，28 wt％聚苯乙烯壳溶液的流速为1.5 mL/h时，随环氧流速由0μL/min增加到9μL/min，核壳复合纤维平均直径由5.7μm增加到12.4μm，基本符合正态分布，且封装在纤维核内的愈合剂含量也随之增加。利用60℃乙醇对核-壳复合纤维进行处理，成功将纤维内部的环氧溶出，得到了一系列孔径大小不同的聚苯乙烯中空纤维。
　　最后，以丙烯酸酯类树脂作为基体材料，分别将载有愈合剂的同轴及共混两种纤维嵌入其中，制得纤维/树脂复合材料。并对复合材料的内部结构和愈合性能进行了初步研究。结果显示:同轴和共混两种纤维增强的树脂复合材料均具有一定的自愈合性能，经过愈合，两种复合材料的力学性能有不同程度的恢复，但相对而言，同轴纤维增强树脂复合材料的愈合条件更容易控制，愈合效果更加理想。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 静电纺丝技术

1．2．1 静电纺丝的研究历史

1．2．2 静电纺丝的基本原理

1．2．3 静电纺丝的实验装置

1．2．4 静电纺丝的影响因素

1．2．5 静电纺丝的应用

1．3 自修复材料

1．3．1 自修复材料定义

1．3．2 聚合物的自修复理论

1．3．3 自修复材料的应用

1．4 本课题的提出及研究工作

第二章 聚苯乙烯／愈合剂共混复合纤维的制备以及结构确证

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验原料及实验仪器

2．2．2 实验方法

2．2．3 表征与分析

2．3 结果与讨论

2．3．1 聚苯乙烯溶液浓度对纤维形貌及直径的影响

2．3．2 聚苯乙烯与环氧的质量配比对纤维形貌和直径的影响

2．3．3 纺丝工艺参数对纤维形貌及直径的影响

2．3．4 聚苯乙烯／环氧复合纤维的相关表征

2．4 本章小结

第三章 聚苯乙烯／愈合剂核-壳纤维的制备以及愈合剂流速对纤维形貌的影响

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验原料及实验仪器

3．2．2 实验方法

3．2．3 表征与测试

3．3 结果与讨论

3．3．1 不同质量浓度的聚苯乙烯溶液与液体环氧的粘度比较

3．3．2 环氧流量对核壳复合纤维的形貌及直径的影响

3．3．3 光学显微镜分析

3．3．4 透射电镜(TEM)分析

3．3．5 能谱(EDS)分析

3．3．6 红外光谱(FTIR)分析

3．3．7 60℃乙醇对核壳纤维膜的浸泡处理

3．3．8 核壳纤维膜经60℃乙醇溶液浸泡前后的失重统计

3．4 本章小结

第四章 聚苯乙烯／愈合剂复合纤维的应用研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 实验原料

4．2．2 实验仪器

4．2．3 实验方法

4．2．4 表征与分析

4．3 结果与讨论

4．3．1 聚苯乙烯／环氧共混及同轴纤维的荧光显微镜表征

4．3．2 聚苯乙烯纤维、聚苯乙烯／环氧共混纤维以及聚苯乙烯／环氧同轴纤维的稳定性

4．3．3 共混纤维及同轴纤维增强树脂复合材料的断面结构

4．3．4 共混纤维及同轴纤维增强树脂复合材料的反射红外表征

4．3．5 聚苯乙烯／愈合剂纤维对复合材料力学性能的影响

4．3．6 复合材料的自愈合性

4．4 本章小结

第五章 全文总结

参考文献

发表论文和参加科研情况

致谢