PA6-MWNTs復(fù)合納米纖維紗連續(xù)靜電紡絲的研究.pdf

1、碳納米管(CNTs)自1991年被發(fā)現(xiàn)以來，雖然只有短短20年，但由于其具有良好的電磁性能、力學(xué)性能和傳熱性能，在很多領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。如：利用碳納米管的高強(qiáng)度、優(yōu)良的韌性和彈性模量，將其作為復(fù)合材料的增強(qiáng)體；利用其較好的寬頻寬帶吸收特性，用來制備吸波和屏蔽材料；利用其具有彈性高、密度低、強(qiáng)度高、隱身性優(yōu)越、紅外吸收性好、疏水性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，與普通纖維混紡制成防彈衣等。靜電紡絲是制備納米纖維最基本、最方便的方法之一，隨著靜電紡絲技術(shù)的發(fā)

2、展，研究人員開始致力于將碳納米管與靜電紡絲技術(shù)相結(jié)合，試圖制備出具有優(yōu)良性能的納米復(fù)合材料。當(dāng)人們發(fā)現(xiàn)碳納米管可在靜電紡纖維中較好地沿著纖維軸向定向排列時(shí)，就更加熱衷于利用靜電紡絲技術(shù)制備聚合物/CNTs納米復(fù)合纖維。目前，研究人員已經(jīng)將PAN、PVA、PEO、PMMA、PA6、PBT、PLA和絲素等多種聚合物與單壁碳納米管(SWNTs)或多壁碳納米管(MWNTS)進(jìn)行復(fù)合靜電紡絲，但是所有產(chǎn)品基本都是纖維呈隨機(jī)排列的非織造布，美國的F

3、rangk Ko教授用靜電紡絲的方法得到了PAN/SWNTs紗，少量以滾筒法和雙電極法等制備的纖維束長度僅為數(shù)米或者數(shù)十厘米，沒有實(shí)現(xiàn)類似于化學(xué)纖維紡絲的連續(xù)卷繞成筒。
　　 本文將靜電紡絲結(jié)合纖維在活性浴液中集束、一步法熱拉伸定型、連續(xù)卷繞等技術(shù)，成功地實(shí)現(xiàn)了連續(xù)紡制PA6/MWNTs復(fù)合納米纖維紗，并在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)地探討并優(yōu)化了紡絲工藝參數(shù)，使連續(xù)紡制PA6/MWNTs復(fù)合納米纖維紗技術(shù)具有更好的穩(wěn)定性和可控性，真正實(shí)現(xiàn)了

4、高聚物/MWNTs的連續(xù)靜電紡絲。在實(shí)現(xiàn)連續(xù)紡制PA6/MWNTs復(fù)合納米纖維紗的基礎(chǔ)上，研究了紡絲工藝參數(shù)對(duì)纖維及紗線結(jié)構(gòu)與性能的影響機(jī)理。同時(shí)，還探索了兩種后加工技術(shù)(干熱拉伸和濕熱拉伸)，改善了紗線的結(jié)構(gòu)和性能。最后，本文還研究了PA6/MWNTs納米纖維中MWNTs的分布及排列情況，以及紗線的導(dǎo)電性能。研究表明在紡絲電壓為18-20KV、紡絲高度為6cm、紡絲溶液中MWNTs質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為0～3％、PA6質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為25％、卷繞速

5、度為1.80m/min～12.6 m/min、0.5wt％的平平加O溶液作為收集浴液時(shí)，能實(shí)現(xiàn)PA6/MWNTs納米纖維紗的穩(wěn)定、連續(xù)靜電紡絲。紡絲電壓、紡絲高度、MWNTs的含量、卷繞速度等都對(duì)PA6/MWNTs復(fù)合納米纖維紗的結(jié)構(gòu)與性能有很大的影響。隨著紡絲電壓的增大，PA6/MWNTs納米纖維紗的直徑、纖維結(jié)晶度、斷裂強(qiáng)力增加；隨著紡絲高度的增加，纖維的定向排列程度提高，結(jié)晶度增大，纖維直徑先增大后減小，紗線直徑逐漸減小，紗線的斷

6、裂強(qiáng)度和初始模量增加，斷裂伸長率呈先增加后減小的變化；場強(qiáng)相同時(shí)，在高電壓和高紡絲高度下，纖維的平行排列程度高，紗線的斷裂強(qiáng)力、斷裂伸長率、初始模量和斷裂強(qiáng)度較大；紡絲溶液中MWNTs的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)在0.4％-0.80％(纖維中MWNTs的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為1.57％-3.1％)時(shí)，隨著MWNTs含量的增加，紗線的斷裂強(qiáng)度和模量逐漸增加，伸長減小，當(dāng)MWNTs質(zhì)量百分?jǐn)?shù)超過0.80％時(shí)，紗線的斷裂強(qiáng)度隨著MWNTs含量的增加反而減??；紡絲卷繞速

7、度對(duì)紗線的力學(xué)性能的影響以9.00m/min為臨界點(diǎn)，在1.80～9.00m/min之間，紗線的斷裂強(qiáng)度和模量隨速度的增加而增加，當(dāng)速度超過9.00m/min時(shí)，紗線斷裂強(qiáng)度反而有所下降。在紗線的后加工過程中，干熱拉伸的最大倍數(shù)可以達(dá)到1.6，濕熱拉伸的最大倍數(shù)可以達(dá)到1.7。二者都能提高紗線的斷裂強(qiáng)度和初始模量，拉伸倍數(shù)越高，紗線斷裂強(qiáng)度和初始模量越大。干熱拉伸后的納米纖維紗斷裂強(qiáng)度和初始模量分別可以達(dá)到初紡紗的2.47和2.35倍，

8、濕熱拉伸后的納米纖維紗斷裂強(qiáng)度和初始模量分別可以達(dá)到初紡紗的2.64和4.20倍。在改善PA6/MWNTs復(fù)合納米纖維紗的力學(xué)性能方面，濕熱拉伸的效果優(yōu)于干熱拉伸。MWNTs在PA6/MWNTs納米纖維中呈現(xiàn)良好的排列，當(dāng)MWNTs含量較高時(shí)會(huì)出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，紗線的電導(dǎo)率隨著MWNTs含量的增加而增加，所紡制的PA6/MWNTs納米纖維紗比純PA6纖維電導(dǎo)率提高了6個(gè)數(shù)量級(jí)。通過本研究在國內(nèi)外首次實(shí)現(xiàn)了PA6/MWNTs納米纖維紗的連續(xù)紡