离心纺丝制备可控微/纳结构超疏水纤维的研究

来源 :浙江理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:xiaoxiaoxiaoren
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自然界中许多动植物都具有超疏水性能,如荷叶、水黾腿部、蝴蝶翅膀以及鸟类翅膀等。而超疏水材料具有防水、防污、可减少流体的粘滞等优良特点,在日常生活用品、公共建筑、乃至国防航空等方面都有着广泛的应用。纳米纤维材料由于具有纤维直径小、比表面积大、孔隙率高等优点,其作为一种重要的原料被广泛应用于组织工程支架、药物传输、过滤介质、人造血管、生物芯片、纳米传感器等领域。目前,将纳米纤维与制备超疏水界面材料相结合是一个研究热点。纳米纤维的制备方法有很多,包括模板合成法、相分离法、自组装法、静电纺丝法、离心纺丝法等。其中静电纺丝法由于产率低而限制了它的大规模使用;离心纺丝法具有机械结构简单,无高压,无污染,产率高等特点,是一种具有工业化应用前景的微纳米纤维制备方法;而其他方法制备过程复杂,并且只能用于制造有限类型的聚合物纳米纤维。本文基于离心纺丝技术制备超疏水聚苯乙烯(PS)纤维,研究了纺丝参数对纤维结构的影响,不同构造方法对纤维表面超疏水性能的影响,并考察了PS纤维力学性能。应用场发射扫描电镜、红外光谱、X射线衍射、X射线光电子能谱和接触角测试等方法,对离心纺丝制备PS纤维的形貌结构及疏水性能进行了表征。实验结果表明,离心纺丝技术能够实现可控制备超疏水PS微/纳米纤维,这将对缓解因材料表面清洁所带来的环境污染和能源耗费问题具有重要的学术和应用价值。主要内容为:通过调控纺丝参数实现离心纺丝可控制备PS微/纳米纤维。研究结果表明:离心纺丝参数对PS纤维结构有规律性影响。在纺丝参数为16wt.%聚苯乙烯纺丝液浓度,8000rpm转速,0.4mm喷丝孔孔径,12cm收集距离时,所制备的PS纤维尺度达到纳米级,同时纤维表面存在多孔结构,整体表面粗糙度较大,具有一定的疏水性能。采用一步法直接在纺丝液中加入纳米SiO2颗粒,对PS微纳米纤维表面进行粗糙化调控,成功制备了具有双重仿生结构(荷叶表面纳米级凸起和银叶菊叶子表面褶皱沟槽的结构)的超疏水PS纤维。研究结果表明:通过将SiO2引入到PS纤维表面可增加表面粗糙度来进一步提升疏水性能,当SiO2含量为3wt.%时,PS纤维具有最大水接触角151°。采用两步法,先将PS纤维经过SiO2溶胶浸渍使纤维表面粗糙化,再经过D4Vi单体浸渍后,利用等离子体处理将D4Vi单体聚合成低表面能薄膜沉积在纤维表面来构造超疏水表面,既有SiO2颗粒纳米级的凸起,又有D4Vi单体聚合的低表面能薄膜,成功制备出了具有超疏水性能的PS纤维。研究结果表明:当等离子体参数为20pa,80W,2min时,改性后的PS纤维具有最大水接触角为158°。针对离心纺丝制备的PS纤维强度差,将聚丙烯腈(PAN)与PS混纺增大其强度。研究结果表明:当PAN/PS=3/1时,混纺纤维的强度较纯PS纤维提升了近3倍。
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