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《复旦大学》 2012年
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聚酰亚胺取向纳米复合膜的制备、结构与性能研究

陈丹  
【摘要】:聚酰亚胺作为一种高性能的特种工程塑料已被广泛应用于电子电器、隔膜、复合材料以及航天航空等领域。随着科技的进步和社会的发展,人类对材料的要求越来越高,材料的单一功能及特点已无法满足实际应用的需求。将其它无机或有机纳米材料与聚酰亚胺结合,制备具有高性能及多功能的聚酰亚胺纳米复合材料具有重要意义和研究价值。 对于聚合物基纳米复合材料,纳米粒子在基体中的均匀分散至关重要。通过对聚合物或纳米粒子进行改性,可提高基体与填料之间的相容性,增加其界面相互作用。除了强界面相互作用外,具有高长径比或径厚比的一维或二维纳米材料的取向对于复合材料的性能也同样重要。制备具有特殊的各向异性材料对获得具有高性能及多功能的高分子纳米复合材料具有重要意义。本论文采用静电纺丝、层层自组装以及流平涂覆法制备了一系列聚酰亚胺取向纳米复合膜,并对其结构/形态和性能进行了表征,所得主要研究结果如下: 1.采用静电纺丝及高速转轮接丝法制备得到了高度取向的纯聚酰亚胺及其碳纳米管含量为1wt%至10wt%的聚酰亚胺纳米复合纤维膜。拉伸测试结果表明,高度取向的纯聚酰亚胺纳米纤维膜较传统涂覆法得到的薄膜表现出显著提高的拉伸强度和断裂韧性。透射电子显微镜结果表明,静电纺丝法是一种有效实现碳纳米管在聚酰亚胺基体中高度取向的方法。经化学改性后的碳纳米管可在聚合物基体中均匀分散并高度取向,而未改性的碳纳米管则易于在基体中形成团聚体,并向纤维表面迁移。由于改性后的碳纳米管与聚酰亚胺基体间存在强界面相互作用,且能在聚合物纤维内高度取向,最终制得的高度取向的纳米复合纤维膜表现出优异的机械性能。聚酰亚胺作为一种韧性较差的工程塑料,采用此法可制备得到断裂伸长率达100%的聚酰亚胺纳米复合膜。二维X射线衍射研究表明,电纺原位聚合得到的碳纳米管/聚酰胺酸溶液,可获得聚酰亚胺分子链取向度更高的纳米纤维,从而得到的纤维膜表现出更好的机械性能。这些研究结果表明,静电纺丝法是一种有效制备质轻、高性能碳纳米管/高分子复合纤维膜材料的方法。 2.纤维类填料填充聚合物制备复合材料的最关键因素是填料-聚合物间的强界面相互作用及纤维填料的高度取向。本论文将静电纺丝得到的高取向聚酰亚胺及其复合纤维用作自增强填料,制备得到了同质增强的质轻聚酰亚胺纳米复合膜。纯聚酰亚胺纳米纤维增强的聚酰亚胺复合膜表现出更低的密度和较好的透明性。由于聚酰亚胺纤维为高度取向状态,且其与聚酰亚胺基体间有非常好的相容性和界面相互作用,因此制备得到的同质增强聚酰亚胺复合膜具有优异的力学、热学性能。当采用碳管含量为2wt%的聚酰亚胺电纺纤维作为增强材料时,聚酰亚胺纳米复合膜的拉伸强度和断裂伸长率分别提高了138%和104%。这种高取向纳米纤维同质增强法是制备质轻且具有高性能高分子纳米复合材料的一种有效而简单的方法。 3.以静电纺丝得到的高度取向的聚酰亚胺纳米纤维膜为模板,在其表面原位生长聚苯胺。研究结果表明,不同氧化剂由于其氧化/还原电势不同,会对聚苯胺的生长形态产生重要影响。采用三氯化铁在聚酰亚胺纤维表面氧化聚合得到的聚苯胺具有纳米级结构,且得到的聚苯胺/聚酰亚胺复合纤维膜较纯聚酰亚胺纤维膜的热稳定性得到了显著提高。采用原位生长法制备得到的聚苯胺/聚酰亚胺取向纳米复合膜具有各向异性的电导率、较好的pH敏感性以及电磁屏蔽性能,有望被应用于pH检测以及电磁屏蔽材料领域。此法为制备高性能与多功能一体化的高分子复合材料提供了一条新途径。 4.由于氧化石墨可在高温处理过程中发生部分还原和剥离,因此,本论文以氧化石墨烯/聚酰胺酸复合膜为前驱体,通过聚酰亚胺的高温亚胺化过程,一步法成功制备得到了均匀分散的官能化石墨烯/聚酰亚胺纳米复合取向膜。研究表明,由于官能化石墨烯的高径厚比、涂覆液的流动以及官能化石墨烯与聚合物基体间的强界面相互作用,官能化石墨烯不仅在基体中获得均匀分散,而且沿着聚酰亚胺膜表面方向获得了高度取向。制备所得的取向纳米复合膜的力学性质和热稳定性由于官能化石墨烯的引入而得以显著提高。 5.采用尿素水解法与改进的尿素水解-水热法制备了具有不同阳离子组成的层状双氢氧化物(LDH),研究表明,采用水热法制备得到的LDH具有高的结晶度和规整的形貌。高度结晶的碳酸根插层的Co-Al层状双氢氧化物可通过离子交换而制得一系列其它阴离子插层的LDH。通过将硝酸根插层的LDH进行机械处理,可得到带正电的、单片剥离的、具有高径厚比的LDH纳米片层。聚酰胺酸盐作为聚酰亚胺的一种重要前驱体,可溶解于水中,并电离得到带负电的大分子阴离子。剥离的LDH片层可与聚酰胺酸盐之间进行静电层层自组装,紫外光谱和X射线衍射结果均表明了静电层层自组装过程的顺利进行。通过对自组装得到的薄膜进行亚胺化处理,可得到层状双氢氧化物均匀分布且高度取向的聚酰亚胺多层复合薄膜。
【学位授予单位】:复旦大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:TB383.2

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