高强度聚酰亚胺/氧化石墨烯复合纳米纤维的制备及其性能研究

摘要

芳香族聚酰亚胺（PIs）作为一类高性能聚合物，其大分子骨架中含有刚性的酰亚胺杂环和芳香苯环，表现出良好热性能、耐化学性和优异的力学性能，被广泛应用于高温过滤、电子、国防军事、防护服装、航空航天和汽车工业等领域。尤其是近些年来，通过静电纺丝技术制备的聚酰亚胺纳米纤维展现出迷人的魅力和独特的性能，例如比表面积大、孔隙率高和力学性能优异等。但是随着社会的进步，人们对高性能聚酰亚胺纤维提出更高的要求，特别是在力学性能方面。为了提高电纺PI纳米纤维及其复合材料的力学性能，本论文首先采用原位聚合法和静电纺丝技术制备了以单层氧化石墨烯作为无机填料的电纺PI/GO复合纳米单纤维以及取向电纺PI/GO复合纳米纤维带，随后经过热牵伸工艺处理，得到不同牵伸比的电纺取向PI/GO复合纳米纤维带。最后，以取向电纺PI/GO复合纳米纤维带作为填料增强可溶性聚酰亚胺（SPI）。具体研究内容如下:　　1. 以单层GO为无机填料，通过原位聚合法和静电纺丝技术制备了电纺PI/GO复合纳米纤维，并对其形貌、力学性能和热性能进行了研究与表征。探究了不同GO含量对电纺PI/GO复合纳米纤维性能的影响。结果表明，GO有效地提高了PI/GO复合纳米单纤维的力学性能，其拉伸强度和模量最大为3.92±0.26 GPa 和107.445±6.29 GPa，比纯PI分别提高了42.5%和251.5%。此外，电纺PI/GO复合纳米纤维表现出良好的热性能；当GO含量为1.2%时，电纺PI/GO-1.2%复合纳米纤维的Tg为299.6℃，T5%为551.07℃，800℃的残留率为61.51%。　　2. 采用上一章节相同的实验方法，制备了GO含量为1.0%的取向电纺PI/GO复合纳米纤维带；进一步对取向电纺复合纳米纤维带进行热牵伸工艺处理，研究了不同牵伸比对取向电纺PI/GO复合纳米纤维带的形貌、力学性能和热稳定性的影响。结果表明，当牵伸比λ=1.10时，取向电纺PI/GO-1.10复合纳米纤维带的力学性能达到最佳，拉伸强度和模量为1805.97 ± 75.83 MPa和38.15 ± 2.52 GPa，与取向PI/GO复合纳米纤维带比较，分别提高了39.1%和140.5%；且制备的一系列取向电纺PI/GO复合纳米纤维带表现出优异的热稳定性，其T10%达到564℃以上，800℃下的残留率在61%以上。　　3. 以SPI为基体材料，采用GO含量为1.0%的取向电纺PI/GO复合纳米纤维带作为增强填料，通过热压工艺，同时调控SPI和复合纳米纤维的质量比,制备了一系列复合薄膜；并对复合薄膜的形貌、力学性能和热稳定性进行了研究与表征。结果表明，PI/GO复合纳米纤维显著地提高了SPI复合薄膜的力学性能，其拉伸强度和模量最大为443.15±11.25MPa和 6.85±0.52GPa，相比较纯SPI薄膜，分别提高了598.5%和821.6%。并且随着PI/GO复合纳米纤维含量的增加，复合薄膜的热稳定性逐渐提升，T5%由460.5℃到485.7℃，提高了25.2℃；T10%由496.8℃到520.1℃，提高了23.3℃；800℃下残留率由44.1%提高到53.6%。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 聚酰亚胺概述

1.1.1 聚酰亚胺的历史及其发展现状

1.1.2 聚酰亚胺的合成

1.1.3 聚酰亚胺的性能

1.1.4 聚酰亚胺的应用

1.1.5 聚酰亚胺的改性

1.2 氧化石墨烯的概述

1.2.1 氧化石墨烯的制备方法

1.2.2 氧化石墨烯的还原方法

1.2.3 氧化石墨烯/高分子复合材料的制备及应用

1.3 电纺纤维在复合增强领域的应用

1.3.1 静电纺丝技术简介

1.3.2 复合增强领域的应用

1.4 本论文的研究意义及内容

第二章 PI/GO复合纳米单纤维的制备及其性能研究

2.1 引言

2.2 实验部分

2.2.1 实验试剂

2.2.2 实验仪器

2.2.3 PI/GO复合纳米单纤维的制备

2.3 结果与讨论

2.3.1 化学结构表征

2.3.2 GO和电纺PI/GO复合纳米纤维的形貌表征

2.3.3 电纺PI/GO复合纳米单纤维的力学性能分析

2.3.4 电纺PI/GO复合纳米纤维的热稳定分析

2.3.5 电纺PI/GO复合纳米纤维的耐热性分析

2.4 本章小结

第三章 牵伸比对取向电纺PI/GO复合纳米纤维带的性能影响

3.1 引言

3.2 实验部分

3.2.1 实验试剂

3.2.2 实验仪器

3.2.3 取向电纺PI/GO复合纳米纤维带的制备

3.2.4 热牵伸取向电纺PI/GO复合纳米纤维带的制备

3.3 结果与讨论

3.3.1 红外光谱分析

3.3.2 热牵伸对取向电纺PI/GO复合纳米纤维带形貌的影响

3.3.3 热牵伸对取向PI/GO复合纳米纤维带分子取向的影响

3.3.4 热牵伸对取向电纺PI/GO复合纳米纤维带力学性能的影响

3.3.5热牵伸对取向电纺PI/GO复合纳米纤维带热稳定性的影响

3.4 本章小结

第四章 高性能纤维增强SPI复合薄膜的制备及其性能研究

4.1 引言

4.2 实验部分

4.2.1 实验试剂

4.2.2 实验仪器

4.2.3取向PI/GO复合纳米纤维增强SPI复合薄膜的制备

4.3 结果与讨论

4.3.1 红外光谱分析

4.3.2 取向PI/GO复合纳米纤维及增强SPI复合薄膜的形貌分析

4.3.3 取向PI/GO复合纳米纤维及增强SPI复合薄膜的XRD分析

4.3.4取向PI/GO复合纳米纤维增强SPI复合薄膜的力学性能分析

4.3.5取向PI/GO复合纳米纤维增强SPI复合薄膜的热稳定性分析

4.4 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

硕士期间的研究成果目录

致谢