复合纳米纤维的制备、表征及其应用研究

来源 :同济大学理学院 同济大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:fctznh
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本文研究了静电纺丝技术特别是同轴共纺技术在纺织领域的应用,重点探 索该技术在电纺纤维的制备及功能性能改进方面的应用,包括提高抗菌性能、 力学性能和潜在的纺织用途三个方面进行了研究。在提高抗菌性能的研究方面, 采用不同的高聚物和无机纳米颗粒体系,以Nylon-6、PAN、PC和PU材料为载 体电纺高聚物/TiO2复合纤维:利用共混法实现了Nylon-6/TiO2的制备;利用钛 酸丁酯作为TiO2前驱体的凝胶法实现PU/TiO2、PC/TiO2和PAN/TiO2的制备; 并在一定浓度TiO2的基础上,添加铜离子和(或)银离子,研究其对纤维力学 性能、微观特征、晶相转变及纤维膜抗菌性能等方面的影响。在提高纤维膜力 学性能方面,以壳-芯双层纳米纤维为前提,在芯层引入力学性能较好的材料, 最终制备的纤维既能保持较好力学性能,又有较好抗菌性能,这在共纺 PAN(TiO2)/PU复合材料的实例中得到了充分体现。在纺织用途方面,研究了 PTT、PAN、PU、Nylon电纺膜与棉织物之间的粘附力性能,并通过热熔材料将 制备的复合纤维膜与棉织物粘结一起,探讨其作为纺织材料在刚柔性及透湿性 方面的区别。得出的主要结论如下: (1)应用单纺技术,找出电纺PAN、PU、PTT、Nylon最佳的电纺参数。Nylon-6 在10wt%和13wt%时形貌特征、力学性能较好;PU在7wt%的纤维尺寸较均匀, 同时力学性能较好,为该材料的最佳纺丝浓度。PAN在浓度为10wt%和12wt %时,纤维直径的尺寸均匀性较好,珠状物产生的概率较低,且力学性能较好。 PTT在13wt%时形成的纤维中珠状物最小,同时力学性能很高,为最佳纺丝浓 度。由于PTT是Z型构造,在PU、PTT、Nylon-6材料中,经PTT膜处理的 棉织物具有最好的刚柔性;PU与棉织物的附着力方面为最高。 (2)采用同轴电纺技术成功制备了PAN(壳)/PU(芯)、Nylon(壳)/PVA(芯)、 PC(壳)/PU(芯)、PU(壳)/Nylon(芯)复合纳米纤维材料,并将其黏附在 棉布上,研究了其几何、结构、力学及织物性能。通过TEM图片和红外光谱图 证明了其壳芯层的存在。研究表明:在制备Nylon-6(shell)/PVA(core)复合 材料过程中,浓度为10%的时候外貌形态较好;为10wt%和12wt%的时候,无 纺布的力学性能最佳。PU浓度为8wt%时,PC(壳)/PU(芯)和PU(壳)/Nylon (芯)有较好的形貌特征和力学性能。当PAN浓度为10wt%时,PAN(壳)/PU (芯)纤维有较好的复合性能。 (3)应用混纺法,利用钛酸丁酯作为TiO2前驱体的凝胶法实现PU/TiO2、PC/TiO2 和PAN/TiO2的制备。利用共混法实现了Nylon-6/TiO2的制备;并通过X衍射、 煅烧、SEM、红外分析等手段证明了高聚物/TiO2纤维中TiO2的存在及其体现的 功能特性。对于Nylon-6/TiO2、PU/TiO2和PC/TiO2各系统,可引入铜离子和 (或)银离子提高其抗菌性能;当同时引入这两种离子时,各系统的抗菌(大 肠杆菌和金黄色葡萄球菌)率均达到90%以上。而PAN/TiO2系统中难以引入铜 离子和(或)银离子,仅通过TiO2颗粒含量体现其抗菌性能。 (4)在同轴共纺过程中,射流的分裂可能导致不含芯层材料的单组分纤维产生, 芯层也可能偏离纤维的中部,部分会聚积到纤维表面。 (5)在混纺中,由于TiO2颗粒或凝胶的加入,纤维的结晶度发生一定变化,当 高聚物/TiO2具有较好抗菌性能时,其力学性能较单纺或加入少量TiO2降低较多。 (6)通过共纺技术,制备出PAN(壳,TiO2)/PU(芯),Nylon(壳,TiO2)/PVA, PC(壳,TiO2)/PU(芯),PU(壳,TiO2)/Nylon(芯)复合纳米纤维材料;在 含有一定量TiO2时,引入铜离子和(或)银离子,以提高其抗菌性能,同时将 复合材料黏附在棉布上,研究其几何、结构、力学及织物性能,实现高聚物中 混有无机纳米颗粒后再与另一高聚物进行壳-芯复合纤维的制备。 (7)通过共纺技术,可以改善纤维的形貌。例如,PC与TiO2的混纺效果较差, 但将混有TiO2PC与PU共纺,得到较好的纤维形貌,相应纤维的结晶度、分子 取向等方面性能随壳芯纤维的形成得到较大改善。 (8)通过共纺技术,成功制备了壳层含有功能型颗粒的壳-芯结构复合纤维,由 于芯层材料的存在,纤维力学性能得到较大改善,为复合纤维力学性能的提高 作出贡献,使最终制备的复合纤维既能保持较好抗菌率,又有较强力学性能。 关键词:静电纺丝,纳米纤维,TiO2,功能颗粒,纺织性能
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