聚合物电纺纤维膜的增强与功能化改性

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利用静电纺丝技术制备的纳米纤维膜具有许多独特的性质,比如纤维长径比高、比表面积大、表面形貌良好等特点,被广泛用于过滤材料、组织工程支架、催化剂、传感器和防护服等领域。但是,聚合物电纺膜强度大多都相对于本体浇注膜强度低很多,这限制和制约了电纺膜的应用范围。目前,聚合物电纺膜的增强有很多方法,比较有效的手段包括:提高电纺纤维的取向度、通过溶剂蒸气处理提高纤维间作用力和采用碳纳米管、晶须、无机纳米粒子提高纤维强度等方式。在本论文中,我们采用了一些新的材料和新的方法,实现了对电纺纤维膜的增强,并发现了一些新的现象。前人研究结果表明,PA6单根纤维的强度可以达到60-400MPa。但是,PA6电纺膜强度只有不到8MPa。由此,可以推论,PA6电纺膜中纤维之间的滑动可能是造成电纺膜强度较低的原因。为了验证这一假设,我们采用了聚氨酯(PU)对PA6电纺膜进行纤维表面修饰。结果表明,PU不仅通过自身的粘性增强了PA6纤维丝间的相互作用和力学强度,而且还有效地提高了PA6电纺膜的疏水性能。与此同时,电纺膜还具有很好的透湿性能。因而,这是一种很好的制备高强度防水透湿膜材料的方法。多面体低聚倍半硅氧烷(POSS)具有由Si-O-Si键首尾连接形成的笼型结构内核和有机取代基构成的外围结构,在增强聚合物方面具有很大的潜力和优势。在本工作中,我们将POSS作为一种新型的纳米填料,以物理共混的方式制备了POSS改性的PU电纺膜。由于POSS分子和PU分子链间形成了聚合物-粒子网络互穿结构,增强了PU分子链间的缠结,使PU分子链在受力时能够被最大限度地拉长,从而不仅提高了PU电纺膜的拉伸强度,而且还显著地提高了其断裂伸长率。这一独特的增强与增韧效果在电纺膜增强领域很少有报道。层状双金属氢氧化物(LDH)是一类片层增强材料,具有较大的径厚比、大比表面积和高模量。但是,有关LDH增强电纺纤维膜的研究的文献还很少见。在本论文中,我们通过物理共混制备了PU/LDH复合电纺膜,研究了LDH含量对电纺膜力学性能的影响。结果表明,LDH的引入并不降低PU的可纺性,反而有利于电纺的进行。少量的LDH对PU电纺膜就具有很好的增强效果:当LDH含量仅为1wt%时,电纺膜的强度就提高到了16.2MPa,提高幅度约为217%。此外,复合电纺膜的断裂伸长率仍保持较高的水平,约165%。本论文中,我们通过采用表面修饰方法、物理共混POSS方法以及LDH增强方法获得了强度、韧性与功能性得到提高的电纺纤维膜,并深入分析了材料的结构与性能关系。这些改性方法不仅可以被用于当前的PA6和PU体系,也可以被应用于其他聚合物体系,甚至也能够被应用于以电纺外的其他方法制备的纤维/膜中。研究工作不仅有很好的理论意义,也具有很好的实用价值。
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