聚烯烃/碳纳米管静电纺丝复合纤维制备与研究

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本文主要对静电纺丝聚烯烃/多壁碳纳米管(MWCNTs)复合纤维的内部结构进行了研究。首先利用自主设计的静电纺丝装备,通过高温溶液静电纺丝技术,成功地制得了高密度聚乙烯(HDPE)/MWCNTs复合纤维和等规聚丙烯(iPP)/MWCNTs复合纤维。探讨了HDPE/MWCNTs复合纤维的表观形貌,结晶形貌及结构。将iPP/MWCNTs复合纤维引入到iPP基体中,得到了热力学稳定性好且在高温下具有一定使用寿命的复合材料。研究表明:  1.通过多次熔融共混循环挤出的方法制备复合材料母料,使 MWCNTs在聚烯烃基体中较均匀分散且与基体界面粘结良好。利用高温溶液静电纺丝技术,选择合适的纺丝工艺参数,得到了 HDPE/MWCNTs复合纤维和iPP/MWCNTs复合纤维。且均存在两种形貌的纤维:(1)圆柱纤维;(2)串珠纤维。对于HDPE/MWCNTs复合纤维的研究:发现其纤维表面存在取向的层次结构,这是静电纺丝过程中静电场力导致的。为了进一步探究其结晶形貌,经自溶剂刻蚀处理,并直观有效地通过扫描电子显微镜(SEM)进行了观察,发现纤维中存在明显取向的shish-kebab结构。但由于MWCNTs的空间阻碍作用,破坏了聚合物基体的连续性且阻碍了 HDPE基体分子链运动去形成较厚的片晶,进而使得到的片晶厚度较薄。与纯 HDPE纤维相比,shish直径更大,kebab长度更短,且呈现出较低的熔融温度和较窄的半峰宽。同时,对串珠纤维而言,由于内部晶体结构不同,从纤维的串珠部分到平直部分分子链取向发生了逐步的变化,即由串珠部分的非取向状态过渡为平直部分的取向状态。此外,MWCNTs在复合材料中形成了连续保护层,进而阻碍了降解过程中挥发性产物的形成,提高了HDPE/MWCNTs复合纤维的热稳定性。  2.对于iPP/MWCNTs复合纤维,通过将其引入到iPP基体制备得到复合材料体系来研究。作为对比,我们也制备了经历相同热历史的纯iPP纤维/iPP基体复合体系。iPP/MWCNTs复合纤维和经历相同热历史的纯iPP纤维的表观形貌存在差异,虽然两者纤维表面均存在取向排列的微结构,但纯iPP纤维表面的取向微结构更加规整,存在明显的沟槽结构。这种表观形貌的差异进一步影响了电纺纤维诱导iPP基体界面结晶的结晶动力学和界面晶体形貌。两纤维均诱导界面处生成沿纤维呈柱状对称的横晶结构,两者界面横晶生长速率和基体球晶生长速率几乎无差。由于电纺纤维强的异相诱导成核能力,使得界面处晶体成核速率均快于iPP基体球晶成核速率,纯iPP纤维表面更加规整的取向沟槽结构使其诱导的界面晶体优于iPP/MWCNTs复合纤维诱导的界面晶体先成核。此外,通过多次熔融再结晶方法对界面结晶形貌的研究发现电纺纤维/iPP基体复合材料体系在一定温度范围内,具有很好的热稳定性能,而这种良好的热稳定性主要依赖于电纺纤维内部高度取向的晶体结构,内部取向结构很可能是电纺过程中在电场力作用下形成的shish-kebab结构。
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