凯夫拉纳米纤维复合薄膜的制备与性能研究

发布时间：2017-11-29 09:18

  本文关键词：凯夫拉纳米纤维复合薄膜的制备与性能研究

  更多相关文章： 凯夫拉纳米纤维 聚氨酯 黏土 层层自组装 复合薄膜 界面作用力

【摘要】：作为继尼龙-6的改革之后,美国杜邦公司再次研制推出的高性能芳纶纤维,凯夫拉因其高强度、良好的热稳定性而受到人们的重视。但是由于凯夫拉与基体聚合物之间的界面作用力弱,限制了凯夫拉在复合材料方面的应用。基于纳米材料的特殊性,纳米级凯夫拉纤维有望给复合材料带来优异的机械性能和光学性能。这种新颖的芳纶纳米模块的出现,在新型高性能聚合物纳米复合材料工程方面有巨大潜力。本文采用在强碱性溶剂中对酰胺基团去质子化的方法将宏观凯夫拉分散成凯夫拉纳米纤维,并用抽滤法得到了凯夫拉纳米纤维薄膜。经表征,分散成纳米尺寸后,凯夫拉的结构未受到破坏,长度为5-10μm,直径约10-20 nm。凯夫拉纳米薄膜的断裂强度达180 MPa,杨氏模量为14 GPa。聚氨酯材料因其独特的结构以及优良的性能一直是研究的热点,水性聚氨酯材料具有成本低、无污染、柔韧性好等优点,应用前景很广。但是水性聚氨酯材料强度不高,耐热性不好,极大的限制了其应用。传统填充物的加入通常对聚氨酯的性能提升不明显,凯夫拉纳米纤维代表了最有希望的的高性能纳米复合材料的建筑模块之一。在我们的实验中,通过采用层层自组装和真空辅助絮凝两种方法,水性聚氨酯的力学性能被凯夫拉纳米纤维得到了增强。得到了杨氏模量5.275GPa和断裂强度98.02 MPa的薄膜,在已知的被报道的聚氨酯基复合材料中达到了最高。我们把这种增强归结于凯夫拉和聚氨酯分子结构的相似性,这种相似性通过多种界面作用力保证了凯夫拉与聚氨酯之间高度的亲和性。通过模拟发现多种氢键的形成归结于两种组分的酰胺基团具有合适的空间。与真空辅助絮凝薄膜相比,层层自组装薄膜能够更好地实现负载转移,因此得到了更高的断裂强度和杨氏模量。真空辅助絮凝方法在低凯夫拉含量时能很好地增强断裂强度。之后,本文又探索了将凯夫拉与黏土同时作为填料与聚氨酯复合,用层层组装方法制备了凯夫拉/聚氨酯/黏土纳米复合材料,测试后发现,凯夫拉与黏土的协调作用在很大程度上提升了复合薄膜的力学、热学、阻燃等性能。本项研究工作不仅实现了在复合材料方面一个新颖的实际结合,而且还为基于创新纳米填充物的多性能复合材料的进一步设计提供了一种很好的思路。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB383.2;TQ340.1

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