基于原位成纤技术的多功能材料的制备及其性能研究

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随着科技的不断进步,人们对纤维织物的研究已不在局限于单一功能应用,而是越来越注重其多功能化的开发。利用浸涂、化学沉积、磁控溅射和原位聚合等方法对纺织品进行改性处理,可赋予织物自清洁、抗菌、导电和发热等特性,使其广泛应用于医疗抗菌、空气过滤、海水淡化、电磁屏蔽和能量存储等不同领域。然而,制备柔性与多功能并存的织物仍然是一个极具挑战性的课题。微/纳米纤维织物因具有独特的柔性、高力学强度以及比表面积大等优点,备受研究者的青睐。因此,本文基于原位成纤技术,通过熔融共混挤出制备了一种PVA/PE共混纤维。随后,通过编织、水溶剥离PVA和冷冻干燥处理制备了一种聚乙烯纳米纤维织物。继而通过表面功能化等处理,分别赋予该纤维织物优良的光热转换和光/电热转换能力,使其在海水淡化,柔性可穿戴加热织物等方面具有广阔的发展前景。主要内容包括:(1)基于原位成纤技术制备聚乙烯纳米纤维(PNBs)织物。本章首先以聚乙二醇-200和丙三醇为复配增塑剂对聚乙烯醇进行增塑,以增塑后的聚乙烯醇(PVA)和聚乙烯(PE)为原料,通过熔融挤出、牵伸、编织、水溶去除PVA和冷冻干燥等技术制备聚乙烯纳米纤维(PNBs)织物。研究表明,当PVA的浓度为70wt%,增塑剂的含量为30 wt%(丙三醇和聚乙二醇-200质量比为20:10)时,PVA流变性能较好,此时PVA的熔融指数为7.18 g/10 min,熔点从192℃降至123℃。熔融挤出并经牵伸的PVA/PE共混材料的SEM结果表明,当PE(分散相)含量达到40 wt%时,纤维含量最多,并且呈现明显的两相结构,去除PVA后制备出平均直径为300 nm的纳米纤维。(2)通过界面聚合吡咯和表面疏水改性处理的策略,制备出具有高效界面蒸发能力的PDMS/PPy/AP-PNBs超疏水光热织物。采用上章制备的聚乙烯纳米纤维(PNBs)织物为基底,依次通过过硫酸铵(APS)、多巴胺(DA)进行表面改性,继而界面聚合吡咯,得到PPy/AP-PNBs织物。然后,以聚二甲基硅氧烷(PDMS)对上述织物进行疏水改性,制备了超疏水的PDMS/PPy/AP-PNBs织物。研究表明,当加入吡咯单体的体积为200 uL,PDMS疏水处理40 min时,亲水的PNBs织物被赋予优异的光吸收能力(95.84%,波长范围2500-300nm)和超疏水特性(平均水接触角达到了 152.1°)。所制备的悬浮式蒸发装置在一个标准模拟太阳光(1 kW m-2)的照射下,PDMS/PPy/AP-PNBs织物的水蒸发速率达到了 1.478 kg m-2 h-1,相对应的光热转换率为86.5%。即使在长时间(12h)和高盐浓度(21 wt%氯化钠溶液)的蒸发过程中,该界面蒸发织物表面并没有出现盐沉积现象,并且保持着稳定的蒸发性能。此疏水织物在稳定、高效的海水淡化方面具有广阔的应用前景。(3)通过化学沉积硫化铜(CuS)的方法,制备了一种具有优异的光热兼电热转换性能的CuS/AP-PNB织物。本章采用第二章改性后的织物为基底,探究了反应浓度对复合织物电加热性能影响。当硫酸铜质量分数为4wt%时,赋予该织物高电导率(277 S m-1)、优异的电加热效果(0.8V,85.7℃)和低电压驱动性能(0.2V~0.8V)。此外,制备的CuS/AP-PNBs呈现出良好的光吸收效果,平均吸光率达94.2%(2500-300nm)。在1个标准模拟太阳光(1 kWm-2)的照射下,CuS/AP-PNB-4 wt%织物的表面温度可升高至92.1℃。在室外太阳光和红外热理疗器的照射下,均体现出了优异的光热转换效果。当使用CuS/AP-PNBs-4 wt%作为悬垂式蒸发系统的界面水蒸发材料时,织物的水蒸发率高达1.81 kg m-2 h-1,具有95.1%的能量转换率。这种新型功能织物为能量收集和转换领域提供了一种新的思路,并在未来的人体热管理以及太阳能驱动水蒸发领域显示出极大的优势。
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