新型電紡納米纖維制備及其氰酸酯樹脂基復合材料.pdf

1、復合材料獨有的可設計性和協同效應使之成為繼金屬、陶瓷和聚合物之后的第四大類材料。納米復合材料獨特的尺寸效應、隧道效應和表界面效應及不同于宏觀復合材料的結構和性能,為復合材料的發(fā)展注入了新內容。無機納米纖維/樹脂基復合材料是納米復合材料的重要形式,其性能不僅取決于無機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構密切相關。如何在不降低纖維本身性能的基礎上,實現無機納米纖維在樹脂基體中良好的分散及界面結合仍然是一個很大的挑戰(zhàn)

2、。此外,目前無機納米纖維的制備還存在成本高、種類有限,不易實現規(guī)模制備等問題。本文針對無機納米纖維/樹脂基復合材料領域存在的關鍵問題,展開以下五個方面的工作。
　　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制備了各種電紡復合納米纖維。考察了這些復合納米纖維在空氣中進行靜電紡絲過程和儲存階段的穩(wěn)定性,并系統研究了電紡復合納米纖維在上述過程中的形貌、結構及化學變化。研究結果

3、表明,空氣中水分與復合納米纖維的相互作用,會對纖維的最終形貌和性能產生重要影響。因此,在煅燒前保持復合納米纖維形貌與性能的穩(wěn)定是低成本、規(guī)模制備高質量無機納米纖維的關鍵和前提。通過調整復合納米纖維的組分,能使其在靜電紡絲過程中就完成水解和聚合反應,有利于得到穩(wěn)定性好的復合納米纖維。這種纖維在標準環(huán)境下儲存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)化生產方面具有廣闊的應用前景。
　　其次,通過對在標準環(huán)境下儲存一定時

4、間后的復合納米纖維進行煅燒、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)等復合納米纖維結構與形貌的影響及其特殊結構的形成機理。結果表明,通過煅燒、浸水等后處理方法不但可以實現表面粗糙氧化鈦(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)結構的TiO2納米纖維及純金紅石相實心TiO2納米纖維。同時,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)納米纖維表面進行包覆,形成具有核殼(core-shell)結構的纖維。
　　第三,以鋯醇鹽作為電紡前驅物原料,基于靜電紡絲和溶膠-凝膠技術建立了制備化學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)復合材料。通過標準靜電紡絲裝置制備的復合納米纖維在不同溫度下煅燒后得到具有孔洞尺寸可調和晶體結構可控的ZrO2納米纖維及相應纖維聚集體。通過構建這種形貌、結構可

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合材料前后都保持固定,有效地防止纖維間發(fā)生團聚。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基復合材料。
　　第四,設計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樹脂基體反應的活性基團,而且還有能與CE樹脂基體間產生物理作用的

7、特殊形貌。在通過構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合。系統考察了SiO2@ZrO2納米纖維的特殊結構對于SiO2@ZrO2/CE基復合材料性能的影響,建立了上述復合材料體系結構與性能的關系。研究結果表明,通過對ZrO2納米纖維表面進行納米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合,從而獲得高性能SiO

8、2@ZrO2/CE基復合材料。
　　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。系統地研究了靜電紡絲前驅物溶液的組分對前驅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物溶液的可紡性,利用靜電紡絲技術制備了CCTO復合納米纖維。探討了CCTO復合納米纖維的后處理工藝對最終得到的CCTO納米纖維結構與性能的影響。制備了CCTO納米纖維與CE樹脂基體的復合材料,并對相應復合材料進行了介電性能測試