对纳米纤维多孔膜的力学性能增强研究

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由于静电纺丝纳米纤维膜的连通孔洞结构和高通量特性,使其在能源环境方面有广阔应用前景,是作为复合滤膜中起支撑作用基膜的理想材料。在复合膜的制备过程中由于支撑层和功能层的差异性会导致两层界面处发生剥离,对复合膜后期的表征和应用有不利的影响。本文通过共混和混合溶剂两种方法,对纳米纤维多孔膜的力学性能进行增强,从而改善多孔膜的一体性,为后期复合膜的制备做好基础。本文以聚丙烯腈(PAN)多孔纳米纤维膜为研究对象,利用SEM、FTIR测试对多孔膜的微观结构和化学结构变化进行表征;对纺丝原液进行流变性能测试,表征溶液的粘度变化;用微控万能材料试验机考察多孔膜在增强后力学性能的变化;并用动态水接触角实验对多孔膜表面纤维间的粘结性进行表征与讨论。共混法中选用的增强聚合物为聚偏氟乙烯(PVDF)。通过以DMF为溶剂的7wt%、l0wt%、13wt%PAN溶液制备纳米纤维多孔膜,分析所得纤维微观形态、直径,确定共混溶液浓度为10wt%和13wt%。随着PVDF共混量的增加,所制备的13wt%PAN/PVDF多孔膜中纤维平均直径先降低,但在纤维出现扁平状之后直径略微增加,最后纤维分布变宽直径又有所下降,依次是603nm、479nm、513nm、441nm;多孔膜孔隙率变化不大;PVDF在溶质中占40wt%时,纤维膜整体的断裂强度达到最大,为8.13MPa;表面纤维的粘结程度随着PVDF含量的增加而变强。l0wt%PAN/PVDF共混多孔膜中纤维直径变化规律与13wt%共混膜的纤维一致,但随着PVDF的增加,纤维形态逐渐出现不稳定现象,最终出现大量串珠;膜整体力学性能未出现显著的增强。用共混法增强纤维膜的力学性能,会出现共混物不完全互溶的现象,因此带来纤维形态不稳定的结果。本文又选用了另一种增强方法,用混合溶剂静电纺PAN纺丝原液,溶剂体系中加入高沸点的DMSO,使纤维成型过程中在纤维间接触位置发生重溶,增强力学性能。依次制备了 7wt%、l0wt%、13wt%PAN 多孔膜。在混合溶剂中逐渐增加DMSO的量,7wt%PAN多孔膜中纤维平均直径由153nm增加至223nm;孔隙率略微下降;膜整体的力学性能在加入DMSO后有显著增强,断裂强度从2.87MPa增加到8.98MPa,拉伸模量从66.24MPa到159.09MPa;纤维间也立刻出现粘结。由于溶剂作用10wt%PAN多孔膜纤维平均直径先上升后下降;孔隙率的下降相对明显;膜整体的断裂强度和拉伸模量显著增强,最大分别达到8.59MPa和171.28MPa;膜表面纤维的粘结逐步增强。13wt%PAN多孔膜表面纤维形态在DMSO的作用下,除直径有所增加外,并未出现明显的粘结现象,但膜整体的力学性能逐步增强。
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