电纺PAN/PANI-HCl/MWNTs纳米纤维膜的制备及性能研究

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本论文选用可纺性良好的聚丙烯腈(PAN)为基体,与盐酸掺杂的聚苯胺(PANI-HCl)和多壁碳纳米管(MWNTs)共混,以静电纺技术制备PAN/PANI-HCl和PAN/PANI-HCl/MWNTs纳米纤维膜。首先制备PAN/PANI-HCl纳米纤维膜,并利用扫描电镜(SEM)、红外光谱仪(FT-IR)对纳米纤维的形貌和组成进行分析,重点研究纺丝工艺参数对纳米纤维直径的影响;借助电子万能试验机对纳米纤维膜的力学性能进行表征,分析聚苯胺含量对薄膜的力学性能的影响;利用矢量网络分析仪对纳米纤维膜的电磁屏蔽性能进行测试,讨论聚苯胺含量及纳米纤维膜厚度对薄膜的电磁屏蔽性能的影响。在此基础上,加入MWNTs,制备PAN/PANI-HCl/MWNTs纳米纤维膜。通过对MWNTs纯化处理,提高MWNTs在纺丝液中的分散性,利用FT-IR和TEM对纯化后MWNTs的结构和形态进行表征分析;然后通过SEM和FT-IR对纳米纤维的形貌和组成进行表征;通过力学性能和DSC测试,研究了MWNTs对PAN/PANI-HCl/MWNTs纳米纤维力学性能和热稳定的影响。最后,利用高绝缘电阻测量仪和矢量网络分析仪,研究加入MWNTs前后的纳米纤维膜导电性和电磁屏蔽性能的变化,以及MWNTs含量、薄膜厚度对PAN/PANI-HCl/MWNTs纳米纤维膜导电性能及电磁屏蔽效能的影响,结果显示:(1)通过SEM观察PAN/PANI-HCl纳米纤维,随着PANI-HCl质量分数的增加,纺丝液的电导率增加,使纤维细化能力增强,PAN/PANI-HCl纳米纤维的平均直径减小;且通过FT-IR分析显示PANI-HCl和PAN之间无化学反应发生;力学性能测试结果表明,随着PANI-HCl质量分数增加,PAN/PANI-HCl纳米纤维断裂强度和断裂伸长率较小,力学性能降低;PAN/PANI-HCl纳米纤维膜电磁屏蔽性能测试表明,随着PANI-HCl含量的增加,薄膜的电磁屏蔽性能增加,且薄膜厚度越大,电磁屏蔽性能越好;(2)采用稀硝酸对MWNTs进行纯化处理,可改善MWNTs在纺丝液和聚合物基体里的分散性,有利于静电纺丝的进行。FT-IR测试表明,纯化处理的MWNTs表面增加了-COOH和-OH亲水性基团,TEM观察到碳管团聚现象减弱,有利于后期与聚合物的复合改善纳米纤维膜的力学性能。(3)MWNTs的加入使复合纳米纤维的熔融峰向高温方向移动,提高了纳米纤维膜的热稳定性;电纺PAN/PANI-HCl/MWNTs纳米纤维膜力学性能测试结果表明,纳米纤维膜的断裂强度增加,断裂伸长率减小,这主要由于MWNTs具有很好的刚性所致。总之,与电纺PAN/PANI-HCl纳米纤维膜相比,在实验范围内,MWNTs的加入,提高了纳米纤维薄膜的力学性能;(4)静电纺PAN/PANI-HCl和PAN/PANI-HCl/MWNTs纳米纤维膜都有一定电磁屏蔽效能。随着MWNTs的加入,电纺纳米纤维膜的导电性和电磁屏蔽效能提高;且当MWNTs含量增加时,薄膜的电磁屏蔽性能增强。当MWNTs的质量分数不变时,随纳米纤维薄膜厚度越大,纤维的连续性越好,电磁屏蔽效能值增加。
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