【摘 要】
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相比于二维静电纺丝纳米纤维膜,三维纳米纤维结构体更为蓬松,且内部为连通性良好的多孔的结构,受到了各行各业的青睐。然而,市面上大多使用缝合、层层堆积等传统方法来构建三维立体结构,造成了原材料的浪费,三维空间结构出现断层现象,极大地限制了产品的使用。本文以聚氨酯(PU)与聚乙烯醇缩丁醛酯(PVB)为原料,通过静电纺丝技术和冷冻干燥技术制备了三维空间结构稳定的聚氨酯纳米纤维结构体,通过使用各种仪器以及自
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相比于二维静电纺丝纳米纤维膜,三维纳米纤维结构体更为蓬松,且内部为连通性良好的多孔的结构,受到了各行各业的青睐。然而,市面上大多使用缝合、层层堆积等传统方法来构建三维立体结构,造成了原材料的浪费,三维空间结构出现断层现象,极大地限制了产品的使用。本文以聚氨酯(PU)与聚乙烯醇缩丁醛酯(PVB)为原料,通过静电纺丝技术和冷冻干燥技术制备了三维空间结构稳定的聚氨酯纳米纤维结构体,通过使用各种仪器以及自组装实验,对聚氨酯纳米纤维结构体进行了形貌结构分析,研究了聚氨酯纳米纤维结构体的隔热、吸油、机械性能,为三维纳米纤维材料的设计提供了技术支持。此外,本文还对纳米纤维沉积于凝固浴的机理进行了研究分析。首先在静电纺丝机上制备了二维纳米纤维膜,根据研究表明,当PU与PVB的质量比为8:2时,聚合物溶液的粘度和电导率适中(粘度为3340 m Pa·s、电导率为1.10μS·cm-1),纳米纤维形貌良好,粗细均匀,无明显串珠现象,纤维直径整体分布在300 nm到600 nm之间。采用金属滚筒收集的二维纳米纤维膜和凝固浴收集的三维纳米纤维结构体在微观结构方面存在较大的差异。SEM图表明在溶液浓度为14%和PU与PVB质量比为8:2时,二维纳米纤维膜纤维表面平滑,而三维纳米纤维结构体纤维卷曲并相互缠绕。孔隙率图可以看出二维纳米纤维膜的孔隙率最高仅为55.3%,溶液浓度对其影响较大,而三维纳米纤维结构体孔隙率高达87.1%,几乎不受浓度影响。红外光谱图表明三维聚氨酯纳米纤维结构体同时存在PU和PVB的特征吸收峰,在洗涤和冷冻干燥的过程中,PVB会析出附着在纳米纤维结构体中。其次对三维聚氨酯纳米纤维结构体进行了性能测试分析。导热测试得出PU/PVB浓度为12、14、16、18 wt%的三维纳米纤维结构体的导热系数分别为0.0580、0.0506、0.0584和0.0574 W/(m·K),均低于二维纳米纤维膜的导热系数;吸油测试得出三维纳米纤维结构体对正己烷、真空泵油、机油和葵花籽油的吸附倍率分别为3.88 g/g、5.68 g/g、5.2 g/g和5.64 g/g,吸附有机相油的速度高于油相油的速度,并且具有良好的循环使用性能;机械测试得出三维聚氨酯纳米纤维结构体的拉伸强度较低,断裂伸长率可达146.7%,其在较长时间内承受一定的压力后能够迅速回弹。这些结果表明了三维聚氨酯纳米纤维结构体具有稳定的三维空间结构,不易坍塌,能够适用于多种领域。最后对纳米纤维沉积于凝固浴接收装置的机理进行分析。接触角测定仪得出PAN、PU、PVB、PU/PVB、PVDF纳米纤维膜的水接触角分别为0°、120°、128°、123°、133°,仅有PAN纳米纤维会在水浴中沉积。结果表明,在纳米纤维的重力对整个体系无影响条件下,当纳米纤维与液滴接触角小于90°时,纳米纤维会自发的进行浸湿,纳米纤维会沉积于凝固浴中;当接触角大于90°时,纳米纤维无法被液体润湿,其会漂浮在凝固浴表面并形成二维纳米纤维膜。综上所述,本文成功制备出具有稳定三维结构的聚氨酯纳米纤维结构体,有着优异的隔热性能,良好的吸油性能,对三维纳米纤维结构体的制备以及实现材料应用的多样化具有现实意义。
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