【摘 要】
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随着产业用纺织品在我国纺织领域中地位的持续上升,对高性能化纤的需求量不断增加,但目前我国高性能纤维技术水平相对落后,整体产量不足,因此需要加大高性能纤维的研发力度,提升复合纤维产量。原位微纤化是一种加工简单,制造方便的复合材料生产方式,该方法可有效提升复合材料的力学性能。但受微纤强度影响,复合纤维性能上限存在阈值,因此课题制备一种了一维纳米管在微纤内取向排列的结构,并研究了其结构的形成机制及性能。
【基金项目】
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国家自然科学基金（51973197）； 浙江省自然科学基金重点项目（LZ18E030002）；
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随着产业用纺织品在我国纺织领域中地位的持续上升,对高性能化纤的需求量不断增加,但目前我国高性能纤维技术水平相对落后,整体产量不足,因此需要加大高性能纤维的研发力度,提升复合纤维产量。原位微纤化是一种加工简单,制造方便的复合材料生产方式,该方法可有效提升复合材料的力学性能。但受微纤强度影响,复合纤维性能上限存在阈值,因此课题制备一种了一维纳米管在微纤内取向排列的结构,并研究了其结构的形成机制及性能。本课题通过原位悬浮聚合将埃洛石（HNTs）、苯乙烯（St）、甲基丙烯酸甲酯（MMA）以及丙烯酸丁酯（BA）共混制备了不同分散相微球。以上述复合微球作为分散相,聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）作为连续相,采用剪切-挤出-牵伸的方式制备微纤化复合纤维。通过多点取样法观察分散相微球在剪切-挤出-牵伸过程中的形态变化,揭示复合微球的微纤化机理,并对力学性能进行测试。具体研究结果如下:（1）采用化学改性的方式对埃洛石（HNTs）进行处理并表征。实验结果表明3-（异丁酰氧）三甲氧基硅烷（MPS）接枝HNTs提供的双键可用于接枝聚苯乙烯,形成聚苯乙烯接枝埃洛石（PMHNTs）,MPS与聚苯乙烯的接枝量分别为1.13 wt.%%和8.48 wt.%。（2）通过悬浮聚合制备了不同单体组成的聚（苯乙烯-丙烯酸酯）微球作为分散相,并通过微型双螺杆挤出机与PMMA共混制备了复合纤维。实验结果表明分散相微球在剪切-挤出-牵伸过程中对应不同的的形态变化,在剪切流场中微球形成尺寸均匀的椭球型颗粒,挤出流场出现首尾相接形成直径较粗的微纤,牵伸流场作用下微纤不断延伸形成纳米微纤。但加入软单体的分散相形成的微纤最细,复合纤维强度最低。而聚（苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯）（PSM）微球微纤强度高,力学性能优异,与纯PMMA相比,拉伸强度与断裂伸长率分别提升10.85%和152.81%。（3）聚合过程中在PSM内添加聚苯乙烯接枝埃洛石（PMHNTs）制备了聚（苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯）@聚苯乙烯接枝埃洛石（PSM@PMHNTs）微球,扫描电镜表明微球内PMHNTs均匀分布。结果表明PSM@PMHNTs在剪切作用下会撕裂形成尺寸均匀的小球,微球内部的PMHNTs以自由取向形式存在;挤出作用下微球出现首尾相接形成微纤,微纤内的PMHNTs开始取向;随牵伸的进行微纤不断延伸形成纳米级微纤,微纤内的PMHNTs形成取向排列结构,超过75%的PMHNTs的轴向取向角度小于15°。此方法在聚合物基体内形成了PMHNTs在高长径比微纤内取向排列的结构。但当PMHNTs含量过高时,微球制备过程中形成的大量纳米级微球在挤出中不发生首尾相接,而是在牵伸过程中出现首尾相接形成微纤。（4）通过对比PMHNTs含量以及牵伸比（DR）的对复合纤维的力学性能的影响,得出当PSM微纤内PMHNTs含量为5 wt.%,DR=6时,复合纤维的力学性能最优异,拉伸强度和断裂伸长率分别为68.94±3.07 MPa和31.30±3.12%,与纯PMMA相比提升了26.94%和256.36%。复合纤维力学性能提升原因在于PMHNTs可有效提升微纤强度,而微纤可以阻碍裂纹的扩展,并连接裂纹两侧基体起到搭桥作用。
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