静电纺丝制备Nafion纳米纤维的工艺及性能研究

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Nafion纳米纤维在近年来的研究中,逐渐表现出它独特的优势,Nafion纤维相比于Nafion产品的其他形态,包括颗粒、溶液和膜,具有比表面积大、孔隙率高、电导率高等优点,可以用在电化学、催化、传感器等方面。静电纺丝制备Nafion纳米纤维具有简单、有效、可控等优点,国内外有一些研究者对静电纺丝制备Nafion纳米纤维进行研究,大部分采用的Nafion原料为商品化的Nafion溶液,Nafion颗粒运输和储存方便且成本相对较低,本课题采用Nafion颗粒作为原料,从溶解实验到静电纺丝进行了系统研究。在静电纺丝实验中,借助正交实验设计法,提取了实验参数中有重要影响的四个因素,分别是携带物含量即PEO在溶液中的质量、溶液流量、接收转辊的转速以及针头到转辊的距离,每个因素设三个不同水平,最终找到了实验中影响纤维直径的主次因素和最佳水平,因素影响作用依次为流量>针头到转辊的距离>转辊接收器转速>携带物含量,每个因素的最佳水平分别是:携带物含量为0.04 g,针头到转辊之间的距离为23 cm,流量为0.1mL·h-1,转辊转速为180 r·min-1。采用最佳水平组合作为实验条件进行了验证实验,最后获得纤维直径为150nm,纤维中Nafion含量高达98%;将制得的Nafion纳米纤维膜进行了电导率测试,结果显示在常温条件下,Nafion纳米纤维膜的电导率是商业化Nafion115膜的6倍。为提高生产纳米纤维的效率,本课题首次提出采用离心静电纺丝制备Nafion纤维,由于离心静电纺丝起步较晚,对其机理和工艺参数还需大量研究,本课题在进行Nafion纳米纤维制备之前,首先采用PVP为原料,探索了离心静电纺丝中电压和转速的变化对纤维直径和形貌、纤维轨迹以及纤维产量的影响。最后成功制得Nafion纳米纤维,但由于Nafion/携带物溶液粘度较高,且离心静电纺丝流量过大,纺丝存在很多困难,希望以后的研究者可以在设备与工艺参数等方面做进一步地研究。
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