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聚酰亚胺纳米纤维的功能化及性能研究

李学佳  
【摘要】:芳香族聚酰亚胺(PI)由于具有优异的热稳定性、高的机械性能以及优良的耐化学腐蚀性和电气性能等而被广泛的研究。目前,越来越多的研究开始关注赋予聚酰亚胺某些特定的性能,以便聚酰亚胺可以应用在某些专门领域。聚合物纳米复合材料具有潜在的、广泛应用前景,而且由于聚合物纳米材料具有易于加工、较低的制造成本、与基材优良的兼容性和独特的物理化学性能而被大量研究。聚酰亚胺聚合物与无机物材料的复合将赋予聚合物材料更多的性能,其中巨磁电阻(GMR)或隧穿磁电阻(TMR)传感器便是其中典型的应用。各种纳米材料应用于聚合物纳米复合材料的制造已经被广泛研究,包括过渡金属和稀土氧化物,如Fe2O3、Co Fe2O4、Pt-loaded Ti O2。纳米复合纤维在电气、电子、光学和化学性能方面都有独特的优点,有着极大的潜在应用,如传感器、过滤膜、微电子和光子设备、结构加固、国防和安全以及能源发电等,已经引起研究人员的广泛兴趣。而静电纺丝则可以以低成本、高速度、方便地制备出纳米复合材料纤维。本课题利用静电纺丝及热酰亚胺化制备了聚酰亚胺(PI)、聚酰亚胺(PI)/?-三氧化二铁(?-Fe2O3)及聚酰亚胺(PI)/二氧化钛(Ti O2)复合纳米纤维,研究了纳米纤维制备过程中的影响因素,以及相关因素对纳米纤维的结构和性能的影响,课题中也对聚酰亚胺(PI)纳米纤维膜进行了活化,研究活化过程中各工艺参数对活化得率及纳米纤维结构和性能的影响。通过两步法制备聚酰亚胺(PI)纳米纤维,利用均苯四甲酸二酐(PMDA)和4,4'–二胺基二苯醚(ODA)合成聚酰胺酸(PAA)纺丝液,采用高压静电纺丝技术制备聚酰胺酸(PAA)纳米纤维,通过热酰亚胺化在不同亚胺化温度及经过不同的亚胺化时间获得PMDA-ODA型聚酰亚胺(PI)纳米纤维。课题利用扫描电镜(SEM)、傅里叶红外光谱仪(FT-IR)、热重分析仪(TGA)以及电子万能仪等研究了不同的亚胺化温度和亚胺化时间对聚酰亚胺纳米纤维形貌、化学结构、热稳定性能及机械性能的影响。结果显示,本研究中亚胺化温度为350℃且亚胺化时间为30min时聚酰胺酸(PAA)纳米纤维基本完成亚胺化,转变为性能优良的聚酰亚胺(PI)纳米纤维。利用静电纺丝制备聚酰胺酸(PAA)/四氧化三铁(Fe3O4)纳米复合纤维,并通过热酰亚胺化获得聚酰亚胺(PI)/?-三氧化二铁(?-Fe2O3)磁性纳米复合纤维。四氧化三铁(Fe3O4)纳米颗粒在前驱体聚酰胺酸(PAA)/四氧化三铁(Fe3O4)混合溶液中的含量对聚酰亚胺(PI)/?-三氧化二铁(?-Fe2O3)纳米复合纤维性能的影响被研究。纳米纤维通过傅里叶红外光谱仪(FT-IR)、X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)及透射电镜(TEM)来表征。课题中对电纺聚酰亚胺(PI)/?-三氧化二铁(?-Fe2O3)纳米复合纤维的磁性能和机械性能也进行了测试,结果显示纳米磁性颗粒以物理结合的方式存在于复合纳米纤维中,而且随着前驱体聚酰胺酸(PAA)/四氧化三铁(Fe3O4)混合溶液中四氧化三铁(Fe3O4)纳米颗粒含量的增加,纳米复合纤维的直径会变细,断裂强度和断裂伸长率有所减弱,同时随着磁性纳米颗粒含量的增加复合纳米纤维的磁性增强。利用静电纺丝方法并协同亚胺化制备了聚酰亚胺(PI)/二氧化钛(Ti O2)复合纳米纤维膜。研究发现随着二氧化钛(Ti O2)纳米颗粒含量的增加纳米纤维的直径变细,聚酰亚胺(PI)/二氧化钛(Ti O2)复合纳米纤维膜的机械性能、热性能都有所降低,论文中进行了光催化试验,实验显示聚酰亚胺(PI)/二氧化钛(Ti O2)具有一定的光催化性能,二氧化钛(Ti O2)纳米颗粒较多时,降解的速率也较快,而且当延长降解时间后,降解速率会逐渐下降。本课题对聚酰亚胺(PI)纳米纤维膜进行了化学活化,考察了活化工艺参数对活化得率的影响,通过正交试验优化设计,确定了活化反应的最佳工艺条件,即磷酸盐浓度为6%,浸泡时间为20min,活化时间为20min,升温速率为2min,活化温度为700℃。实验中还研究了材料受活化温度的影响,试验结果显示,当增高活化温度后,纳米纤维直径变细,机械性能降低,碳元素含量随着增大,而氮元素和氧元素的含量则不断下降。当活化温度为700℃时,活化后的纳米纤维膜孔径以中孔和微孔为主,比表面积增大,而当活化温度升高到900℃时,比表面积会降低。纳米纤维膜对有机饱和蒸汽有良好的吸附性能。


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