新型電紡納米纖維制備及其氰酸酯樹脂基復(fù)合材料.pdf

1、復(fù)合材料獨(dú)有的可設(shè)計(jì)性和協(xié)同效應(yīng)使之成為繼金屬、陶瓷和聚合物之后的第四大類材料。納米復(fù)合材料獨(dú)特的尺寸效應(yīng)、隧道效應(yīng)和表界面效應(yīng)及不同于宏觀復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和性能,為復(fù)合材料的發(fā)展注入了新內(nèi)容。無機(jī)納米纖維/樹脂基復(fù)合材料是納米復(fù)合材料的重要形式,其性能不僅取決于無機(jī)納米纖維和樹脂基體,還與納米纖維在樹脂基體中的分散性及界面結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。如何在不降低纖維本身性能的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)無機(jī)納米纖維在樹脂基體中良好的分散及界面結(jié)合仍然是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)

2、。此外,目前無機(jī)納米纖維的制備還存在成本高、種類有限,不易實(shí)現(xiàn)規(guī)模制備等問題。本文針對無機(jī)納米纖維/樹脂基復(fù)合材料領(lǐng)域存在的關(guān)鍵問題,展開以下五個(gè)方面的工作。
　　首先,分別以硅酸四乙酯(TEOS)、鈦酸四丁酯(TNBT)和正丙醇鋯(ZNP)為主要組分通過靜電紡絲技術(shù)制備了各種電紡復(fù)合納米纖維。考察了這些復(fù)合納米纖維在空氣中進(jìn)行靜電紡絲過程和儲(chǔ)存階段的穩(wěn)定性,并系統(tǒng)研究了電紡復(fù)合納米纖維在上述過程中的形貌、結(jié)構(gòu)及化學(xué)變化。研究結(jié)果

3、表明,空氣中水分與復(fù)合納米纖維的相互作用,會(huì)對纖維的最終形貌和性能產(chǎn)生重要影響。因此,在煅燒前保持復(fù)合納米纖維形貌與性能的穩(wěn)定是低成本、規(guī)模制備高質(zhì)量無機(jī)納米纖維的關(guān)鍵和前提。通過調(diào)整復(fù)合納米纖維的組分,能使其在靜電紡絲過程中就完成水解和聚合反應(yīng),有利于得到穩(wěn)定性好的復(fù)合納米纖維。這種纖維在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下儲(chǔ)存15天仍能保持初紡纖維的形貌,這一特性使其在規(guī)模制備和工業(yè)化生產(chǎn)方面具有廣闊的應(yīng)用前景。
　　其次,通過對在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下儲(chǔ)存一定時(shí)

4、間后的復(fù)合納米纖維進(jìn)行煅燒、浸水等后續(xù)處理,研究上述低成本后處理方法對TNBT(HAc)、ZNP(HAc)等復(fù)合納米纖維結(jié)構(gòu)與形貌的影響及其特殊結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理。結(jié)果表明,通過煅燒、浸水等后處理方法不但可以實(shí)現(xiàn)表面粗糙氧化鈦(TiO2)納米纖維的低成本制備,而且也可以通過工藝條件的控制得到具有纖維套管(fiber-in-tube)結(jié)構(gòu)的TiO2納米纖維及純金紅石相實(shí)心TiO2納米纖維。同時(shí),利用TNBT和ZNP在空氣中快速水解和聚合的特性

5、,可以在TiO2和氧化鋯(ZrO2)納米纖維表面進(jìn)行包覆,形成具有核殼(core-shell)結(jié)構(gòu)的纖維。
　　第三,以鋯醇鹽作為電紡前驅(qū)物原料,基于靜電紡絲和溶膠-凝膠技術(shù)建立了制備化學(xué)性能和纖維形貌可控的ZrO2納米纖維的方法,并制得了ZrO2納米纖維/氰酸酯基(CE)復(fù)合材料。通過標(biāo)準(zhǔn)靜電紡絲裝置制備的復(fù)合納米纖維在不同溫度下煅燒后得到具有孔洞尺寸可調(diào)和晶體結(jié)構(gòu)可控的ZrO2納米纖維及相應(yīng)纖維聚集體。通過構(gòu)建這種形貌、結(jié)構(gòu)可

6、控的ZrO2納米纖維聚集體,使聚集體中納米纖維間的相對位置在其與樹脂基體形成復(fù)合材料前后都保持固定,有效地防止纖維間發(fā)生團(tuán)聚。這種纖維聚集體有效地解決了納米纖維在樹脂基體中的分散問題,得到具有優(yōu)異綜合性能的ZrO2納米纖維/CE基復(fù)合材料。
　　第四,設(shè)計(jì)并制備表面包覆納米氧化硅(SiO2)顆粒的ZrO2納米纖維(SiO2@ZrO2)。這種新型纖維表面不僅具有能與CE樹脂基體反應(yīng)的活性基團(tuán),而且還有能與CE樹脂基體間產(chǎn)生物理作用的

7、特殊形貌。在通過構(gòu)建纖維聚集體解決納米纖維在樹脂基體中分散問題的前提下,包覆納米SiO2顆粒的ZrO2納米纖維有效地改善了與樹脂基體間的界面結(jié)合。系統(tǒng)考察了SiO2@ZrO2納米纖維的特殊結(jié)構(gòu)對于SiO2@ZrO2/CE基復(fù)合材料性能的影響,建立了上述復(fù)合材料體系結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系。研究結(jié)果表明,通過對ZrO2納米纖維表面進(jìn)行納米SiO2顆粒包覆得到的SiO2@ZrO2納米纖維,可以與CE樹脂基體間形成良好的界面結(jié)合,從而獲得高性能SiO

8、2@ZrO2/CE基復(fù)合材料。
　　第五,首次通過靜電紡絲及后續(xù)處理制備了鈦酸銅鈣(CCTO)納米纖維。系統(tǒng)地研究了靜電紡絲前驅(qū)物溶液的組分對前驅(qū)物溶液粘度及可紡性的影響。通過乙酸(HAc)作為緩沖劑改善前驅(qū)物溶液的可紡性,利用靜電紡絲技術(shù)制備了CCTO復(fù)合納米纖維。探討了CCTO復(fù)合納米纖維的后處理工藝對最終得到的CCTO納米纖維結(jié)構(gòu)與性能的影響。制備了CCTO納米纖維與CE樹脂基體的復(fù)合材料,并對相應(yīng)復(fù)合材料進(jìn)行了介電性能測試