静电纺CNTs/PMIA纳米纤维增强复合材料的制备及其结构性能的研究

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纳米材料已经成为推动当代科学技术进步的重要支柱之一,如何制备性能优异的纳米复合材料已经成为纳米技术研究非常重要的一个课题。   碳纳米管(CNTs)作为一维纳米材料,其特殊的结构决定了它拥有许多异常的力学、电学、磁学、化学、光学和热学等性能,被认为是复合材料的理想增强体,但CNTs易团聚,分散性不好,很大程度地削弱和降低了碳纳米管赋予基体的功能性与结构增强作用。   静电纺丝是制备纳米纤维最简便、最有效的方法之一。随着静电纺技术的发展,研究人员将CNTs和各种聚合物混合,制备了性能优良的CNTs/聚合物复合纳米纤维。静电纺纳米纤维膜既具有纳米材料的共性,又具有纳米纤维构成的纤维膜/毡独特的网状结构,用其来增强复合材料,能与聚合物基体间形成良好的界面粘结。聚间苯二甲酰间苯二胺(PMIA)具有耐高温、耐化学腐蚀及离开火焰自熄等特点,用途非常广泛。目前,国内外在PMIA纳米纤维研究方面的报道屈指可数,对于定向排列PMIA纳米纤维的研制还处于空白。   本文对静电纺:PMIA纳米纤维的制备工艺进行了优化,发现在PMIA溶解温度为90℃、PMIA质量分数为12%、纺丝电压为23kv、纺丝距离为11cm、收集辊转速为6m/min、喷丝头移动速度为14cm/min、纺丝流量为0.26ml/h的条件下制备的静电纺PMIA纳米纤维微观形貌良好。   为了解决MWNTs易团聚、分散性差的问题,首先对其进行酸化处理,然后进行酰氯化处理,最后通过用非离子表面活性剂TrixtonX-100对MWNTs进行处理,实现了TrixtonX-100分子长链对碳纳米管的吸附与包裹,提高了MWNTs的分散稳定性。制备了不同MWNTs质量分数的MWNTs/PMIA复合纳米纤维,研究发现随着MWNTs质量分数的增大,纤维直径减小。质量分数较小时,MWNTs分散良好,且沿纤维轴向定向排列。质量分数较高时,MWNTs出现团聚现象,质量分数越大,团聚越严重;添加MWNTs,纤维的晶格类型没有发生变化,热稳定性得到提升较为显著。随着MWNTs质量分数的增大,纤维膜的拉伸断裂强度和初始模量呈现先增大后减小的趋势,断裂伸长率减小。当MWNTs质量分数为0.6%时,拉伸断裂强度和初始模量分别增加了约86%和241%。添加MWNTs后,纤维膜电导率提升近10个数量级。   通过改变纺丝液中LiC1的质量分数制备了定向排列的静电纺PMIA纳米纤维膜。增大LiC1的质量分数,纺丝液粘度增大,电导率则先增大后减小。通过理论分析发现,粘滞力的增大和电导率的减小是导致定向纤维形成的主要因素。干热拉伸能够提高定向排列纳米纤维的结晶度、玻璃化转变温度以及拉伸力学性能。在一定范围内增加拉伸负荷,有利于纤维力学性能的改善,但过长的拉伸时间会导致纤维性能下降。在负荷为12N,时间为15min时,PMIA纤维膜的拉伸断裂强度和初始模量分别增大了50%和196%左右,MWNTs/PMIA纤维膜的拉伸断裂强度和初始模量分别增大了43%和220%左右。   探索并优化了PMIA纳米纤维增强PLA复合材料的热压工艺,结果表明在压强为1000Pa,温度为180℃,时间为30min的条件下制备的复合材料拉伸力学性能最好。制备了不同纤维质量分数的单一方向PMIA/PLA复合材料。随着纤维质量分数的增大,拉伸力学性能先增大后减小,当纤维质量分数为38.26%时,拉伸断裂强度和初始模量比纯PLA分别提高了约235%和149%。PMIA/PLA复合材料的T5%、T10%、T50%都低于纯PLA,并且随着纳米纤维质量分数的增大呈减小的趋势;当纤维质量分数为48.62%时,T5%、T10%、T50%比纯PLA分别减小了19%、17%、17%左右,但T75%提高了1.91%,最终残留率随着纤维质量分数的增大而增大。复合材料的动态储能模量和损耗模量均高于纯PLA。在低温区域,随纤维质量分数的增大,储能模量和损耗模量都呈先增大后减小趋势;在高温区域,储能模量和损耗模量随纤维质量分数的增大而增大。   研究了单一方向、45°交错和90°交错三种复合形式得到的层合式复合材料不同拉伸方向的力学性能及断口特征,结果表明复合材料的拉伸力学性能主要由承担载荷的纤维的拉伸力学性能决定,拉伸断口因纤维膜的层合方式及拉伸方向的不同而存在一定的差异。   在纤维质量分数相近时,MWNTs/PMIA/PLA复合材料的拉伸断裂强度和初始模量比PMIA/PLA复合材料分别提高了约59%和74%。两者的动态储能模量和损耗模量随温度的变化趋势相同。和PMIA/PLA相比,低温区时,MWNTs/PMIA/PLA的储能模量和损耗模量的增幅较大,高温区时,增幅非常小。
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