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《合肥工业大学》 2009年
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溶胶凝胶法制备聚合物/无机杂化纤维的研究

宋秋生  
【摘要】: 聚合物/无机杂化材料是一种新型复合材料,具有聚合物和无机材料的综合性能。聚合物/无机杂化纤维结合了杂化材料与纤维材料的性能特点,越来越受到人们的关注。对杂化纤维的开展研究具有重要的理论意义和应用前景。 本文研究了一系列聚合物/SiO_2(TiO_2)杂化溶胶的粘度特性及其杂化纤维的制备、机理、微观结构与性能。主要内容如下: 1.采用溶胶凝胶方法,以正硅酸乙酯(TEOS)和钛酸四丁酯(TBOT)为原料,制备PVA/SiO_2、PAA/SiO_2、PAN/SiO_2、蔗糖/SiO_2、HPMC/SiO_2、PVA/SiO_2/TiO_2等杂化溶胶,系统研究了它们的粘度特性和成纤性能,并通过拉丝法制备杂化纤维。杂化溶胶粘度随时间的变化规律与纯SiO_2溶胶相似,粘度均呈现缓慢增加、逐渐加快、急剧上升等三个阶段。在粘度变化的第二阶段,杂化溶胶中聚合物具有适当的分子量和以线性分子为主的化学结构,赋予杂化溶胶良好的成纤性能。为聚合物杂化纤维的制备提供了实验基础。 2.对制备PVA/SiO_2杂化纤维的杂化机理、化学结构和性能进行了研究。PVA中的-OH与TEOS的水解产物的-OH缩合形成了Si-O-C相连的化学键,耐热性能和耐水性能均得到明显改善,SiO_2网络使PVA的结晶受到限制,杂化纤维呈无规结构。为PVA纤维性能的提高提供了一种方法。 3.对制备PVA/ SiO_2/TiO_2杂化纤维的杂化机理、化学结构和性能进行了研究。随着PVA含量的增加,PVA/SiO_2/TiO_2杂化溶胶的可纺性能明显改善;随着TBOT含量的增加,杂化溶胶的水解时间明显下降;制得的杂化纤维相分布十分均匀,具有良好的耐热和耐水性能。研究为PVA杂化纤维制备工艺改进和性能的提高具有重要的参考价值。 4.用TEOS与乙烯基三乙氧基硅烷共缩聚,采用溶胶凝胶原位聚合法制备了PAA/SiO_2杂化纤维。对制备上述杂化纤维的杂化机理、化学结构和性能进行了研究。PAA/SiO_2杂化溶胶粘度在1400- 3000 mPa·s范围时,成纤性能好,杂化纤维表面光滑,尺寸均匀,透明度较好,PAA与SiO_2之间通过偶联剂形成化学键结合,杂化纤维具有良好的耐水和耐热性能。采用PAA/SiO_2杂化纤维的制备研究尚未见有报道。对水溶性的聚合物耐水和耐热性能的提高提供了一种新方法。 5. SiC纤维介电常数和电阻率与玻璃纤维相近的,强度与模量与碳纤维相当的,具有碳纤维、芳纶等无法比拟的耐高温氧化性能,是高性能复合材料的理想增强剂,在航空航天、核工业等高科技领域有着广泛的应用。采用溶胶凝胶法制备了蔗糖/SiO_2杂化纤维,对其作为Si-C纤维的新型前躯体的可行性进行了初步研究。杂化纤维中蔗糖与SiO_2之间以化学键连接,形成了结构均匀的非晶杂化网络;杂化纤维经800℃处理后形成SiO_2与石墨微晶共存的结构。该研究未见报道,对拓展SiC纤维的制备新工艺具有重要的理论意义。 6.分别采用溶胶凝胶共混法和溶胶凝胶原位聚合法两种工艺路线,分别制备了两种PAN/SiO_2杂化纤维。对两种溶胶的杂化机理与成纤性能及杂化纤维的结构进行了重点研究。两种不同制备方法对于杂化纤维的化学结构、微观形态和性能具有显著影响。其中,原位聚合法制得的杂化纤维中,PAN中的CN基团发生了水解且杂化纤维内部结构更加均匀。共混法制得的PAN杂化纤维中的CN基团基本不发生水解。两种杂化纤维的耐热性能均优于纯PAN。研究对于制备耐热型的PAN功能纤维具有重要的参考价值。 7.采用TEOS和羟丙基甲基纤维素(HPMC)为主要原料、KH570为偶联剂,用溶胶凝胶法制备HPMC/SiO_2杂化溶胶。对其成纤性能和杂化纤维的结构与性能进行了研究。用HPMC/SiO_2杂化溶胶浸涂SiO_2凝胶纤维,制备了HPMC/SiO_2梯度结构杂化纤维。重点研究了杂化溶胶粘度对HPMC/SiO_2梯度结构杂化纤维的形成和表面形态的影响。HPMC/SiO_2杂化溶胶的粘度对于形成表面均一的梯度纤维影响显著,当杂化溶胶粘度为6000mPa·s左右时,浸涂效果较为理想。研究对于制备梯度结构的杂化纤维提供了新的思路。
【学位授予单位】:合肥工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:TQ340.6

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【参考文献】
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