电纺丝高分子纤维复合材料的制备及性能研究

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静电纺丝是一种重要的微/纳米纤维加工技术,通过调节工艺条件和聚合物溶液的组成,可以设计出具有可控孔隙度和特殊微观形貌的微/纳米纤维。采用静电纺丝技术制备的纤维具有高比表面积、高孔隙率、易于尺寸控制、易于功能化等优点。本论文选用了三种典型的有机共轭分子材料DR1、MWCNT和P3HT为研究对象,采用电纺丝方法制备了两种聚合物纤维复合材料,利用电纺丝过程中高压电场的极化作用,实现了表面亲疏水性能的精确调控,搭建了电场极化调控共轭聚合物薄膜装置,揭示了共轭分子在纤维纺丝过程中分子取向的过程和机理。主要工作如下:1、利用静电纺丝技术制备了PAN/DR1复合纤维薄膜,研究了有机共轭小分子DR1在高压电场中的取向。首先通过SEM形貌表征确定了电纺丝工艺参数,制备出高质量的PAN/DR1复合纤维薄膜,通过FTIR、XRD、TGA和水接触角等一系列测试发现,掺入DR1分子,提高了PAN开始发生氧化和环化的温度。由不同电压强度下制备的复合纤维膜的水接触角从81.4°增加到118.6°,可以看出,在高压直流电场的作用下,DR1分子会重新排列,分子结构中的官能团将发生偏转,-NO2排列更多的朝向复合纤维膜的外表面,而-OH排列朝向复合纤维膜的内表面,并且随着电场强度的增加,DR1的排列程度进一步增加。实现了智能纤维薄膜的制备。2、利用静电纺丝技术制备了PAN/MWCNT复合纤维薄膜,研究了管状有机共轭分子CNTs在高压电场中的取向。通过SEM形貌表征确定了电纺丝工艺参数,制备出高质量的PAN/MWCNT复合纤维薄膜。通过FTIR、XRD、TGA和拉伸等测试发现,掺入多壁碳纳米管(MWCNT)后的复合纤维膜,保持了PAN分子的结构,MWCNT的加入与PAN分子间没有形成新的化学键。在高压直流电场的作用下,MWCNT会被极化,且极化率极强,被极化后的MWCNT沿着电场方向定向排列,提高了PAN的结晶程度和纤维膜的断裂强度,为PAN复合纤维膜的应用奠定了基础。3、为了探究共轭分子在电纺丝过程中的取向过程和机理,利用电场诱导技术研究了有机共轭高分子P3HT在直流电场作用下的取向。探究了在P3HT晶须聚集体溶液中,电场处理时间、电场强度和晶须聚集体尺寸对组装过程的影响,深入探讨了电场诱导有机共轭高分子P3HT晶须聚集体组装机理。在电场的影响下,诱导P3HT产生偶极子沿电场方向排列,导致带电晶须进行介电电泳,并以头尾相接方式组装成纤维,组装后的纤维沿着π-π堆积方向进行取向,并且电场诱导组装的P3HT纤维薄膜具有各向异性,为电纺丝复合材料的应用奠定了基础。
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