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本论文参考相变材料和高压静电纺丝两个不同领域的相关研究背景,在现有的研究基础上将两者有机结合,使用高压静电纺丝法制备了新型的相变材料/聚合物储能调温超细复合纤维,并对复合纤维的形态、热学性能、蓄热调温性能以及拉伸性能进行了系统的研究。研究工作具体包括以下几个方面:
1)选择聚乙二醇(PEG)为典型的相变物质,醋酸纤维素(CA)为载体介质,使用静电纺丝法成功制备了PEG/CA储能调温超细复合纤维。研究发现得到了表面光滑的圆柱状复合纤维,PEG同时分布在复合纤维的表面和内部。通过热性能分析发现复合纤维具有较高的相变焓和合适的相变温度,其耐热性能优于相同组成比例的PEG/CA铸膜,而且复合纤维具有较理想的蓄热调温性能。复合纤维的拉伸性能虽然比CA纤维稍有下降,但整体上仍然能够满足使用要求。
2)通过改变PEG/CA复合纺丝溶液中PEG的含量,使用静电纺丝法制备了一系列不同PEG含量的PEG/CA复合纤维,并研究了PEG含量对复合纤维的形态、结晶性能、热性能和拉伸性能的影响。结果发现,复合纤维的形态随PEG含量的增加而变差,平均直径则相应增大。所制得的系列PEG/CA复合纤维的相变温度随PEG含量的增加变化不大,但是相变焓却与PEG含量的变化呈正比。经热稳定性性能测试后,复合纤维的热性能均能较好地保持。同时,力学性能测试表明PEG/CA复合纤维的拉伸性能也随着PEG含量的增加而变差。
3)通过改变PEG/CA复合纺丝溶液中PEG的分子量,使用静电纺丝法制备出一系列不同分子量PEG组成的PEG/CA超细复合纤维(PEG含量为50 wt%),并研究了PEG分子量对复合纤维的形态、结晶性能和热性能的影响。复合纤维的平均直径随着PEG分子量的增加而增加。其结晶性能随PEG分子量的增加而变好,但复合纤维的结晶性能比相应的铸膜稍差。所制得的系列PEG/CA复合纤维在不同的温度区间具有不同的相变焓,其变化趋势与PEG分子量的变化呈正比。
4)使用甲苯-2,4-二异氰酸酯作为交联剂,二丁基月桂酸锡作为催化剂,通过化学反应对PEG/CA超细复合纤维进行交联反应,并对交联前后复合纤维的形态、耐水性能以及热学性能等进行了对比研究。交联后复合纤维的尺寸没有明显变化,但是在单根纤维的交接处产生了交联点,并形成了致密的纤维膜层。经过水洗实验,发现交联后复合纤维的防水性能得到了有效的改善。交联后纤维的相变焓相比交联前虽然有较大的下降,但是其热稳定性能和耐热性却有了很大的提高。
5)使用同轴静电纺丝法分别制备了聚乙二醇/醋酸纤维素(PEG/CA)和月桂酸/醋酸纤维素(LA/CA)超细复合纤维,分别研究了内管纺丝溶液使用不同溶剂体系和不同的溶质组成时对复合纤维的形态、热性能和拉伸性能的影响。研究发现,通过同轴法制得了以相变材料为核,聚合物介质为壳的核-壳结构的复合纤维。当内管溶液所需溶剂和溶质组成不同时,所得复合纤维的形态与平均直径也随之变化,且纤维的平均直径随着PEG在复合纤维中含量的增加而增加。同时,复合纤维的焓变也随内管溶质浓度的增加而增加,而相变温度却随之变化不大。
6)选用了四种长链脂肪酸(FA)即月桂酸(LA)、十四酸(TA)、十六酸(HA)和硬脂酸(SA)作为相变物质,聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)为载体介质,通过静电纺丝法制备出一系列的FA/PET超细储能调温复合纤维,复合纤维的形态、热性能和拉伸性能可以通过改变纤维中FA/PET的质量比和脂肪酸的种类实现调节。复合纤维的平均直径随着脂肪酸含量的增大而增加。通过改变纤维中脂肪酸含量可调节复合纤维的相变焓,但是对复合纤维的相变温度影响甚小;而当纤维中脂肪酸种类变化时,则能够相应地改变复合纤维的相变焓和相变温度。
7)通过羧基酰氯酯化法,将硬脂酸与十八烷醇以及一系列二醇(1,2-乙二醇,1,4-丁二醇,1,6-己二醇,1,8-辛二醇和1,10-癸二醇)分别进行酯化反应,合成了硬脂酸十八烷酯(SS)和系列二醇二硬脂酸酯(DS)固-液相变材料,然后采用静电纺丝法制备了SS/PET复合纤维和DS/PET复合纤维,并分别对复合纤维的形态、合成的新型相变材料和复合纤维的热性能进行了较详细的研究。研究发现复合纤维的平均直径随相变物质的含量与种类的改变而变化。两类新型的储能超细复合纤维具有较高的相变焓和合适的相变温度区间,经过多次热循环处理实验后,复合纤维的形态与热学性能基本保持不变。