荧光纤维的制备及其性能研究

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荧光纤维因其在特殊光线(如紫外光)照射条件下,可呈现特定颜色,而备受瞩目,其研究开发是功能化纤维的一大重点研究方向。目前已问世的荧光纤维的基体材料多为聚丙烯(PP)等石油基高分子,但随着石油等不可再生资源的日益短缺,聚乳酸(PLA)这类生物基材料因来源于可再生的植物资源、可完全生物降解以及低环境负荷性这三方面的优势,其开发和应用越来越受到重视。近年来,国内外相继报道了具有阻燃性、双亲性、抗菌性、染色性、导电性等功能化PLA纤维,但以PLA为基体的荧光纤维的研究却鲜有报道。因此,开发PLA荧光纤维,对于提高PLA纤维的附加值、拓展PLA纤维的应用领域等都具有积极的推进作用。同时,系统地比较不同基体材料荧光纤维的性能,有利于荧光纤维研究的全面化。因此,本文采用熔融纺丝法,首次成功制备了PLA荧光纤维,填补了PLA材料在荧光防伪功能领域的空白。此外,还制备了以聚丙烯(PP)、尼龙6(PA6)和聚对苯二甲酸乙二醇酯(涤纶,PET)为基体材料的荧光纤维,着重对所制备的石油基PP荧光纤维和生物基PLA荧光纤维的结构与性能进行系统的研究,探讨了PLA荧光纤维的耐酸碱性能和耐紫外光照性能,并综合比较了不同基体材料所制备的荧光纤维的性能。本文首先采用偶联剂对荧光粉进行表面预处理,并制备了石油基PP荧光纤维。扫描电镜照片显示,经偶联剂表面预处理后的荧光粉平均粒径略大但粒径尺寸更均一。与未经表面预处理的荧光粉相比,通过偶联剂处理可改善荧光粉颗粒与PP基体的相容性,使PP荧光纤维表现出更好的力学性能和荧光性能。随着荧光粉质量分数的增加,荧光颗粒在基体中逐渐出现团聚现象,PP荧光纤维的表面形貌会有不同程度的破坏,纤维的断裂强度呈现下降趋势。荧光光谱图和量子产率结果显示,随着荧光粉质量分数的增加,纤维吸收紫外光发射可见光的颗粒也增多,PP荧光纤维的相对荧光强度也升高,但其增强倍数并不与质量分数一样呈相应的倍数关系。利用激光共聚焦显微镜对荧光粉颗粒在基体中的分布进行三维模拟,分析结果证明相容剂-马来酸酐接枝聚丙烯(MAPP)可以使荧光粉颗粒在基体中分布得更均匀,但MAPP对PP荧光纤维断裂强度和荧光强度影响不大。此外,本论文通过摸索工艺参数,首次采用熔融纺丝法成功制备了PLA荧光纤维,探讨了荧光粉质量分数与拉伸倍数对PLA荧光纤维结构与性能的影响。结果表明,随着荧光粉质量分数的提高,PLA荧光纤维的相对荧光强度逐渐增大,但纤维形貌逐渐被破坏,体系中杂乱分布且团聚的荧光粉导致聚乳酸大分子不易规则排列,纤维的结晶度和断裂强度均呈降低趋势。随着拉伸倍数的提高,纤维直径逐渐变小,断裂强度逐渐增大,而其相对荧光强度则呈先增大后减小的趋势。此外,采用正交试验法研究了pH值、温度及处理时间等条件对PLA荧光纤维荧光性能和力学性能的影响,经极差分析法和方差分析法分析显示,PLA荧光纤维的力学性能受温度影响显著,而对pH值和处理时间影响不显著。随着温度的不断升高,其断裂强度呈明显下降趋势,当温度超过其Tg后,纤维形貌破坏严重;而pH值、温度和处理时间对PLA荧光纤维的荧光强度影响均不显著,所制备的PLA荧光纤维在荧光性能方面具有良好的耐酸碱性和耐热性。此外,本论文还比较了不同紫外光辐照时长对PLA荧光纤维的性能的影响,结果表明,PLA荧光纤维具有较好的抗紫外线性能,随着紫外光辐照时间的增加,PLA荧光纤维的力学性能和荧光性能均略有下降,但下降幅度较小。在上述研究基础上,本论文还综合比较了PLA、PP、PA6、PET四种基体材料制备的荧光纤维的各项性能。PLA材料综合加工能耗是目前大类化纤生产中最低的。当荧光粉含量w(FP)=5%时, PET荧光纤维的耐降解热稳定性最好,PA6荧光纤维的断裂强度最高,PLA荧光纤维的白度最高,而PP荧光纤维的断裂伸长率、相对荧光强度和透明性最佳。从应用领域、价格和环保可持续性三方面综合比较,PLA材料虽然由于目前工业水平的限制,生产成本较高,但其应用领域更广、更环境友好、更有利于可持续发展,所制备的PLA荧光纤维最具发展潜力。
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