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《合肥工业大学》 2009年
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聚合物/SiO_2-TiO_2杂化纤维材料的研究

马海红  
【摘要】: 有机/无机杂化材料克服了单一材料和传统复合材料性能上的缺陷,它兼具有机材料的优点(如韧性、延展性和易加工性等)及无机材料的的优点(如刚性、高热稳定性和特殊的光电磁性能等),因而其制备受到人们的广泛关注。有机/无机杂化纤维是有机/无机杂化材料中的一类,目前国内外对杂化纤维的研究报道较少,制备力学、热学及光学性能优良的杂化纤维的研究正逐步引起人们的关注。本论文用溶胶-凝胶法制备了多种SiO_2-TiO_2杂化纤维材料,研究了杂化和聚合机理、形貌、结构和性能。具体研究内容如下: 1.以正硅酸乙酯(TEOS)为原料,采用溶胶-凝胶法制备了硅溶胶,探讨了影响硅溶胶可纺性的各种因素及制备SiO_2纤维的最佳反应条件,并采用FT-IR、光学显微镜及XRD等对SiO_2纤维结构和性能进行了分析。溶胶的可纺性受水硅摩尔比,酸硅摩尔比,催化剂种类及反应温度的影响。温度升高,溶胶的可纺性降低;使用HCl作催化剂,水硅摩尔比为1.5,酸硅摩尔比为0.03时溶胶的可纺性最好,所得SiO_2纤维为无定形,直径约为50μm,其透明度和均匀程度都比较好。研究内容为制备无定形SiO_2纤维和制备热学性能、光学性能改进的杂化纤维提供依据。 2.以TEOS为原料,用溶胶-凝胶方法,在PMMA存在下制备了PMMA/SiO_2杂化纤维,并用原位聚合法制备了PBMA/SiO_2杂化纤维。通过FT-IR、SEM、TGA及DSC等分析手段,探索其杂化机理,研究两种杂化纤维的形貌、结构与性能。杂化纤维中,聚合物与SiO_2之间形成化学键;两种杂化纤维直径分别为160μm和80μm左右,有机无机相间形成均一的连续相,表面光滑,尺寸均匀,透明度较好;耐热性能均优于纯聚合物。PBMA/SiO_2杂化纤维具有更好的柔性。 3.以TEOS和钛酸四丁酯(TBT)为前躯体,采用溶胶-凝胶法和提拉法制备了PMMA/SiO_2-TiO_2、PBMA/SiO_2-TiO_2杂化纤维。研究了它们的形貌、结构与性能,聚合物与SiO_2-TiO_2之间通过化学键连接;两种SiO_2-TiO_2杂化纤维的直径分别为150μm和50μm左右;有机无机相间形成均一的连续相;随TiO_2含量的增加,杂化纤维的紫外透过率不断降低,荧光发射峰的强度不断增加。TiO_2的引入使杂化纤维具有荧光发射性能,并对紫外线具有有效的屏蔽作用,减缓杂化材料的老化。研究结果对于研制开发新型光电纤维材料具有重要意义;同时为硅钛体系杂化纤维材料的制备提供了理论依据。杂化纤维的耐热性能优于纯聚合物的耐热性能。 4.采用溶胶-凝胶原位聚合法和静电纺丝技术制备PBMA/SiO_2杂化电纺纤维,聚合物与SiO_2之间通过偶联剂(VTEOS)形成了共价键的连接;随聚合物含量的增加,电纺产物由直径为5μm左右的纤维变为堆聚在一起的表面光滑、大小不均的颗粒;与纯PBMA相比,杂化电纺纤维的热分解温度由260℃升高至348℃左右,热稳定性能优良。 另外用静电纺丝技术制备PVA/SiO_2-TiO_2杂化电纺纤维,无机相(SiO_2-TiO_2)与PVA之间主要通过分子间羟基键合形成杂化;纤维直径为几百纳米。随(SiO_2-TiO_2)含量的增加,形成的网络结构增多,纤维的直径不断增加,并出现弯曲和扭曲现象,甚至有带状结构出现。杂化纤维中纳米TiO_2对紫外线的有效屏蔽,可以减慢PVA/SiO_2杂化材料的老化。与纯PVA纤维相比,杂化电纺纤维的结晶度明显降低,热分解温度由230℃升高至317℃左右,在酸性、中性和碱性条件下的疏水性和稳定性增强。 5.以MMA、TBT为主要原料,采用溶胶-凝胶法制备了分散良好,无机相粒径为5nm左右的PMMA/TiO_2杂化材料。杂化材料中无机网络与高分子链之间以共价键相结合,相微区尺寸较小,有效的阻止了两相间的相分离;杂化材料以非晶态形式存在。随TiO_2含量的增加,杂化材料的无机相尺寸增大,透光度下降,紫外透过率不断降低。纳米TiO_2对紫外线的有效屏蔽,减缓了PMMA的光老化。与纯PMMA相比,PMMA/TiO_2杂化材料的热分解温度由270℃升高至300℃左右。应用纳米粒子对PMMA进行改性,从而扩大了PMMA的应用范围。研究结果为制备光学性能和热性能优良的杂化材料提供理论依据。
【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】:TQ340.7

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【引证文献】
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【参考文献】
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