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纳米纤维凭借其优异的性能,在电子器件、生物医学领域、过滤材料、防护纺织品、传感器等领域具有广泛的应用前景。然而,关于制备功能性纳米纤维材料的研究是近几年才开始的,并且现有的制备工艺比较复杂,成本较高。因此,寻找一种简单的、低成本的、大规模制备多功能性纳米纤维的方法对于纳米材料的进一步应用具有重要的意义。近年来,随着纳米技术的发展,静电纺丝技术作为一种有效、实用的微纳米纤维的制备方法,在纳米材料研究领域受到日益广泛的关注。由于静电纺丝这项技术具有显著的简易性、易操作性、多功能性,引起了大量关于静电纺丝实验和理论的研究。
在本论文中,我们利用静电纺丝技术,结合具有特殊功能的材料,制备了具有分级结构以及响应性浸润性、储能性质的复合微纳米纤维材料,为电纺技术制备功能性纳米材料开拓了新的思路。主要工作包括如下内容:
1.利用共轴电纺技术制备了具有多级结构的TiO2纳米纤维。通过对内流体溶液流速和浓度的调控得到了四种具有多级结构的纳米纤维,即“微孔”状结构、“囊泡”状结构、“竹节’’状结构和“管’’状结构。这种具有多空腔结构的纳米纤维为电纺技术制备具有二级结构的核.壳纤维以及仿生多空腔结构材料开辟了新的思路。
2.利用静电纺丝技术,实现了超疏水/超亲水的可逆浸润性开关制备。我们选用廉价的聚苯乙烯为主要原料,通过添加少量具有温度响应性的聚合物聚(N-异丙基丙烯酰胺),电纺制备了具有热响应性浸润性的聚(N-异丙基丙烯酰胺)/聚苯乙烯复合薄膜,研究了不同实验条件对薄膜表面形貌和浸润性变化的影响,并对其热响应性机理进行了探索。该方法为低成本大规模制备响应性材料提供了新思路。
3.首次提出了熔融多流体复合电纺技术,使常温下是固态的相变材料可以在高温熔融的状态下进行纺丝,从而克服了传统共轴电纺只能包覆单一组份材料的缺点。通过熔融多流体复合电纺,以聚乙烯基吡咯烷酮为外流体,以不同的相变材料为内流体,一步就可以得到具有多个温度区间,稳定储能效果的多组份复合相变材料。通过对内流体组份以及各个流体速度的控制,可以实现对相变储能纤维相变温度、储能密度以及纤维结构的控制。该方法为制备具有复杂内部结构与组成的新型功能材料提供了一种简单、有效的方法。