静电纺丝法制备多壁碳纳米管/聚胺醚复合纳米纤维及其性能的研究

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静电纺丝法是目前能够制备直径低至几十纳米连续纤维的一种最有效方法之一。该方法所需设备简单,成本低廉,且制得的纳米纤维无纺布具有大的比表面积,纤维表面具有多孔结构等特殊形态,可用在生物医用、过滤材料、纺织用品、传感器、模块等方面具有潜在应用。近年来已经通过静电纺丝制备了很多不同聚合物纳米纤维,譬如聚环氧乙烷、聚乙烯醇、聚苯乙烯、聚丙烯腈、聚乙烯吡咯烷酮等。目前复合材料的静电纺丝已经越来越受研究者们的重视了,利用两种聚合物各自的优势制备出性能更可观、应用更广泛的纳米纤维。尽管关于静电纺丝理论的研究具有一定基础,但是对于其工业化的研究还有待进一步的发展。  静电纺丝技术是溶液或者熔体在高压电场下高速喷射形成纳米纤维的技术,基本过程是:聚合物溶液或者熔体加上几万伏的高压电,带电的聚合物液滴在毛细管的顶点形成Taylor锥,然后克服表面张力产生射流,射流喷射过程中溶剂挥发固化,在接收板上形成纳米纤维毡。  本文首先以二甲基亚砜为溶剂,将环氧树脂和乙醇胺以等摩尔官能团在油浴加热的条件下合成聚胺醚,得到质量分数为40%的聚胺醚溶液,并采用原位聚合法合成多壁碳纳米管(MWNTs)/聚胺醚复合材料,以二甲基亚砜为溶剂,三苯基磷为催化剂,将环氧树脂与MWNTs混合,一段时间以后加入一定量的乙醇胺,得到分散均匀的MWNTs/聚胺醚复合溶液。对合成的聚合物进行红外和核磁的表征;并讨论了复合溶液电导率的影响因素。  其次,本文采用应变控制型流变仪研究MWNTs/聚胺醚静电纺溶液的流变行为。静态流变结果表明:聚合物的表观黏度与聚合物溶液的浓度有很大的关系,聚合物的浓度越大,表观黏度越大;聚胺醚溶液表现出非牛顿流体的性质,同时MWNTs的加入对黏度也有一定的影响,随着MWNTs含量的增加,聚胺醚溶液的表观粘度增大,非牛顿指数降低,黏流活化能增大。动态流变表明:随着MWNTs含量的增加,储存模量G和损耗模量G"均增加,损耗角正切tanδ先随着角频率的增加而增大,之后又随着角频率的增大而减小。  再次,将聚合物稀释成不同浓度的溶液来研究LiCl百分含量、溶液浓度、纺丝电压和纺丝距离对纤维形貌和直径的影响,系统的得出了静电纺聚胺醚溶液的最佳工艺参数。纤维的直径随着LiCl加入量的增加而增大,随着浓度的增大而增大,随着纺丝电压的增大而减小,随着距离的增大而减小。当LiCl的加入量为0.4%-0.6%,浓度为34%-36%,纺丝电压为15-20kv,纺丝距离为20cm时的工艺参数为最佳。  本文还研究了静电纺MWNTs/聚胺醚复合纳米纤维的性能。热失重分析表明加入MWNTs后复合纳米纤维的热稳定性有所提高。X射线衍射分析显示MWNTs加入并未改变聚合物的晶型,结晶度随着MWNTs含量的增加而增大。聚胺醚纳米纤维具有良好的浸润性,MWNTs的加入增大了聚胺醚纤维的浸润性能。透射电镜(TEM)发现MWNTs在纤维中间,与聚胺醚纤维形成一种类似同轴纤维形式。随着MWNTs含量的增加,纤维的表面逐渐变得粗糙。
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