天然胶乳静电纺丝机理及实验研究

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随着静电纺丝技术的发展,静电纺丝纤维在生物医药、能源电子、环境保护、化学、功能性纺织等领域得到广泛的应用。静电纺丝分为溶液和熔体两大类,其中溶液静电纺丝由于其设备简单,电纺纤维直径较细,故应用范围比较广泛。在静电纺丝中,目前多选用热塑性材料,对于热固性材料或弹性较大材料,纺丝难度较大。天然橡胶属于热固性材料具有高弹性、高伸长率、柔韧性、耐撕裂等独特的性能,且天然橡胶的玻璃化转变温度低,常温下分子链之间缠结回缩能力强,导致不能单独进行纺丝。如何将其或者与某种材料混合实现纺丝发挥出橡胶独特的性能,是目前亟待研究的课题。本文在研究天然橡胶成形机理和静电纺丝机理的基础上,通过溶液静电纺丝技术制备出了天然胶乳/聚乙烯醇(NRL/PVA)复合纤维和天然橡胶(溶解法)纤维;模拟分析了天然胶乳静电纺丝电场强度与电压、接收距离、纺针尺寸的变化规律;通过实验研究,确定并优化了天然胶乳静电纺丝的工艺参数,探究出了NRL/PVA复合纤维以及天然橡胶纤维纺丝溶液的最佳配比。本文完成的主要工作如下:1.提出了以聚乙烯醇为纺丝助剂制备NRL/PVA复合纤维和以有机溶剂溶解法制备天然橡胶纤维的两种方法。2.模拟了电场强度与电压、接收距离、纺针尺寸的变化规律,得出了电场强度随纺丝电压的增大而增大,且成线性关系;电场强度随接收距离的减小而增大,随纺针直径的减小以及纺针长度的减小而增大。3.研究了不同纺丝工艺参数、不同NR固含量对NRL/PVA复合纤维形貌及性能的影响以及不同体积分数的石墨烯分散液(GR)对NRL/PVA复合纤维导电性能的影响。在实验设置的工艺参数范围内,当纺丝电压20kV,接收距离20cm,供液速度0.05mL?min-1时可制备出连续不断的复合纤维,且纤维内部结晶情况较好。混纺溶液中NR固含量为8%时,NRL/PVA复合纤维整体形貌最好,纤维结晶度达到最高,分子链的排列规则性最好,熔融温度达到最高值194.1℃。通过红外光谱分析,发现NR对PVA分子结构基本不产生影响,很好的保存了PVA优异的分子结构性能。NR固含量为20%时复合纤维断裂伸长率达到最大值,纤维的断裂伸长率达到最大值100%。当添加体积分数10%的GR时,NRL/PVA复合纤维的导电性比未添加时提升了7个数量级。实验结果表明,以聚乙烯醇为纺丝助剂成功实现了NRL/PVA复合纤维的制备,GR的加入对NRL/PVA复合纤维的导电性有显著的提高。4.探究了不同纺丝工艺参数、溶剂N,N-二甲基甲酰胺(DMF)在混合溶剂中占的比例对天然橡胶纤维形貌和性能的影响。通过对溶液浓度,DMF添加量的调整优化得到了天然橡胶纤维纺丝的最佳实验参数为:溶液浓度3%,电压18kV,接收距离15cm。实验结果表明,纺丝溶液在不加入溶剂DMF的情况下无法形成连续纤维,当DMF在混合溶剂中的体积分数为15%时,天然橡胶纤维形貌以及直径的均匀性达到最佳。综上所述,当纺丝电压20kV,接收距离20cm,供液速度0.05mL?min-1,NR固含量为8%时NRL/PVA复合纤维形貌、结晶度、分子链的排列规则性最好,熔融温度最高。当溶液浓度3%,电压18kV,接收距离15cm。在φDMF为15%时,天然橡胶纤维形貌及直径的均匀性最好。为天然胶乳、天然橡胶在静电纺丝方面的研究发展提供了重要的工艺参数与数据分析,具有重要的现实意义。
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