微纳米螺旋纤维的制备方法研究

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大自然就像一个魔法师,创造了各种精细而美妙的生物结构,它们赋予了生物体独特的功能。其中,螺旋结构因其三维的几何结构、良好拉伸性和形状回复性能,不断激发人类的创造灵感。螺旋结构是一种多级结构,其与微纳米纤维结合形成的微纳米螺旋纤维,除了保持微纳米纤维具有的高比表面积、高空隙率等性能外,还增添了优异的弹性和柔性,螺旋的空间结构还可以提供更多的空腔。基于这些优异的性能,微纳米螺旋纤维具有极大的潜在应用价值。本文应用熔喷和静电纺丝技术,主要探讨了两种制备微纳米螺旋纤维的方法。首先,基于双组分纺丝方法,利用组分间的刚性差异形成的不对称收缩或伸长制备微纳米螺旋纤维;同时,探讨了利用紫外光(UV)交联使纤维在轴向上产生力学性能差异制备微纳米螺旋纤维的新方法。本文第二章,以热塑性聚氨酯弹性体(TPU)和不同刚性的聚丙烯(PP)、聚酰胺(PA)、醋酸纤维素(CA)为原料,采用双组分熔喷和双组分静电纺丝,将两种具有刚性差异的聚合物原料进行纺丝,利用两组分在轴向上的收缩或伸长的不同制备微纳米螺旋纤维。研究表明,具有刚性差异的两种聚合物可以通过双组分纺丝的方法制备微纳米螺旋纤维。通过聚合物分子链结构和差示扫描量热曲线(DSC曲线)分析不同聚合物间的刚性,表明两种组分间刚性差异程度的大小会影响螺旋纤维的制备效率,刚性差异程度越大,制备的微纳米螺旋纤维越多。本文第三章和第四章,基于静电纺丝技术,制备了一种可UV交联的微纳米纤维,并通过UV照射的方法成功制备了微纳米螺旋纤维。首先,第三章中通过化学合成的方法制备了一种异氰酸酯基(—NCO)封端的聚氨酯预聚体(PPU)原料,以傅里叶红外光谱法(FT-IR)和二级反应动力学模型探究PPU的制备条件,发现所用方法可制备出符合预期的PPU。PPU的制备受温度影响明显,较低的温度下拟合的二级反应速率曲线线性明显,说明副反应少。然后,在第四章中,将制备得到的PPU和端羟基聚丁二烯(HTPB)混溶于甲苯中反应,然后通过静电纺丝的方法制备出可UV交联的微纳米纤维,并使其在一定应力作用下受到UV光照射,制备微纳米螺旋纤维。UV光会使这种含有碳碳不饱和双键的弹性体纤维表面发生交联,产生力学性能的变化,使纤维的轴向上形成了伸长或收缩性能的差异,从而受到应力后会形成螺旋结构。同时以螺旋曲率k表征螺旋形貌,发现不同的UV时间和预应力作用可制备出具有不同k值得微纳米螺旋纤维。延长UV照射时间和较大的预应力作用可以制备螺旋线圈更紧密的螺旋结构,螺旋纤维具有更大的k值。
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