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纳米纤维具有比表面积大、吸附能力强、表面功能多样化等优点,因此纳米纤维潜在应用领域广泛。随着技术的进步和人们需求的提高,纳米纤维制备方法和新型纳米纤维研究也在不断发展。聚酰胺6(PA6)具有优良的机械性能、加工性能及化学稳定性等,是一种性能优越的聚合物。石墨烯由于其高导电性,良好的机械强度和热稳定性,可被用作聚合物复合材料。
本文采用PA6/CAB不相容体系共混熔融挤出过程中形成纳米纤维状分散相的方法制备了PA6纳米纤维,研究了粘弹性、组分比、剪切速率、共混设备等因素对纳米纤维形态和尺寸的影响。研究结果发现,通过调控共混物组分比、螺杆速率以及选择合适的共混设备,可将纳米纤维的直径控制在95-200nm范围内。利用哈克双螺杆挤出机共混,当共混体系组分比为10/90-40/60范围时,将获得成形良好的纳米纤维,并且纳米纤维的平均直径及分布随组分比增加而增大,只是在组分比40/60时,纳米纤维平均直径由112nm突增到178nm,尺寸分布变差。当共混体系组分比为50/50时,聚合物共混物形态转变为双连续结构,无法获得纳米纤维。剪切速率从10s-1增加到80s-1过程中,纳米纤维平均直径随之减小。当剪切速率为80s-1时,纳米纤维的直径减小为100nm,随着剪切速率进一步增加,纤维直径没有继续减小反而出现增大趋势。此外,微型螺杆共混仪所制备的纳米纤维直径变化规律与哈克双螺杆挤出类似,组分比对其影响要比采用哈克双螺杆挤出机时的小。同时通过分段取样法分析了PA6/CAB体系中分散相在熔融挤出过程中的形态演化,研究了PA6纳米纤维的成型机理,并且探讨了粘弹性对分散相形态演化的影响。随剪切速率增加,熔体的粘度随之下降,表现出剪切变稀行为,属典型的非牛顿流体;适宜的加工温度时,各体系粘度比ηd/ηm(ηd指分散相的粘度,ηm指基体相的粘度)均介于0.1-10之间,利于纤维状分散相形态的发展。
采用改进Hummers法制备氧化石墨,再使用氨水、水合肼进行改性和还原,制备出石墨烯。TEM表征表明,石墨烯片层表面呈褶皱状,部分紧密团聚在一起。XRD图显示石墨烯的衍射强度相对于石墨和氧化石墨烯来说甚微,说明石墨烯剥落成为单层或者几层结构,从而形成一种新的晶格结构。红外光谱、拉曼光谱表明氧化石墨含有大量含氧官能团,如-OH、-COOH、C-O-C、C=O等,所以分散性和亲水性都很好,通过水合肼能够部分还原氧化石墨烯中的含氧基团,能进一步恢复石墨烯的表面结构,提高其共轭程度。XPS结果定量地证明了石墨烯已获得极大地还原。
在对PA6纳米纤维和石墨烯研究的基础上,制备了石墨烯/PA6复合纤维,FESEM和SEM显示石墨烯/PA6/CAB为不相容体系,石墨烯良好分散在PA6基体中,所得复合纳米纤维平均直径为140-250nm。石墨烯的加入诱导PA6晶型由α晶转变为γ晶,结晶形态由球晶变为小碎晶。结晶度和结晶温度随石墨烯的加入而提高,热稳定性也得到改善。