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基于层层自组装技术的新型高表面活性耐紫外芳纶纤维的研究

周利芳  
【摘要】:芳纶纤维(AF)是一种高科技有机合成纤维,以其优异的综合性能(高强度、高模量、耐冲击、质轻等)而在多种尖端领域显示出广阔的应用前景。表面活性低、耐紫外(UV)性差是AF的两大固有缺点。为了克服这两个瓶颈问题,本文旨在制备同时兼具高表面活性、耐热性和耐UV性能的新型高性能芳纶纤维,具体研究内容分为以下两部分。(1)层状双氢氧化物(MgAlFe LDH)和SiO_2层层自组装的芳纶纤维的研究采用溶剂热法合成了含有Mg、Al、Fe离子的层状双氢氧化物(LDH),通过剥离法制备了带正电荷的无机纳米片(LDH-NS);以SiO_2胶态分散体(SiO_2)为负电荷来源,通过绿色温和的层层自组装法在芳纶纤维表面构建了具有特殊结构(无机纳米片/无机纳米颗粒)的表面,制备了新型改性芳纶纤维(nBL-AF,n为层数)。系统研究了自组装层数(n)对BL-AF结构与性能的影响。研究结果表明,芳纶纤维的结构与性能可以通过调节自组装的层数加以控制。与AF相比,nBL-AF(n≥3)纤维具有显著提高的表面活性、耐热性、机械性能和耐UV性能。这得益于LDH与SiO_2的高强度、高耐热性和优异UV吸收性能。3BL-AF的初始热分解温度(T_(di))提高了约92°C;拉伸强度、断裂能、模量和断裂伸长率分别提高了约12%、13%、11%和5%;拉伸性能保持率高达91-95%,而AF的保持率仅为62-81%。此外,BL-AF的表面自由能随着自组装层数的增加而增加,其中9BL-AF的表面自由能达到最大,是AF的1.8倍。(2)基于SiO_2层层自组装的芳纶纤维的研究利用SiO_2水溶液(Ludox-CL)的正电荷性和SiO_2的负电荷性,通过层层自组装法在芳纶纤维表面构建无机纳米颗粒/无机纳米颗粒多层膜,制得了新型改性芳纶纤维(BL-AFp)。该自组装过程未涉及到有机溶剂的使用,完全绿色环保。在自组装之前,通过多巴胺改性芳纶纤维,旨在不破坏芳纶纤维的前提下引入活性基团(-OH、-NH_2)。采用FTIR、SEM、EDX追踪了自组装过程,并重点研究了自组装层数对芳纶纤维结构与性能的影响。研究结果表明,nBL-AFp(n≥5)纤维显著提高了表面活性、耐热性、机械性能和耐UV性能,并与nBL-AF(n≥3)的性能相当。说明在使用多巴胺代替磷酸改性芳纶纤维的前提下,无机纳米颗粒/无机纳米颗粒改性的芳纶纤维(BL-AFp)的性能可以达到与无机纳米片/无机纳米颗粒改性的芳纶纤维(BL-AF)相当的程度。


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