剪切场下高碳纳米管含量聚乙烯醇纤维成型机理的研究

发布时间：2020-11-01 10:27

　　 近年来,碳纳米材料的快速发展引起了广泛的研究兴趣。碳纳米管(CNTs)由于其特殊的物理和化学性质,逐渐成为高分子材料中最有前景的纳米填料。其中单壁碳纳米管(SWNTs)复合增强更是目前制备高性能纤维的一个研究热点。流动诱导聚合物形成纤维状晶体的研究为纤维材料的成型和制备提供了新的思路和途径。本文通过对间规聚乙烯醇(s-PVA)/SWNTs复合分散液施加高速剪切作用,形成一种高SWNTs含量的s-PVA纤维,并对其成型过程和机理进行了研究。具体研究内容与结论如下:(1)分别对无规聚乙烯醇(a-PVA)和间规聚乙烯醇(s-PVA)稀溶液进行剪切,探索了剪切速度及溶液浓度对纤维成型的影响。a-PVA由于分子链规整性、结晶性能较差,即使在较高剪切速度(3000 rpm)下都几乎没有物质从溶液中析出。而具有高间规度的s-PVA,其在低剪切速度(500 rpm)下的析出物成块状,随着剪切速度的提高,分子链能得到较好取向,s-PVA呈纤维状从溶液中析出并缠绕在搅拌轴表面。结果表明,分子结构规整、高剪切速度以及合适的浓度对于形成纤维状结晶具有一定的促进作用。(2)通过茶多酚(TP)对SWNTs进行表面修饰,TP上的苯环结构可以与SWNTs形成π-π共轭结构,另外其表面丰富的羟基可与s-PVA链上的羟基形成氢键,从而提高了 SWNTs和s-PVA二者之间的相互作用,使SWNTs能够均匀地分散于s-PVA基体中。(3)对s-PVA/SWNTs复合分散液的剪切特性的研究表明,随着剪切速度的增加,体系粘度下降,且s-PVA/SWNTs复合分散液粘度下降值比纯s-PVA溶液大,证实了 SWNTs对聚合物的诱导取向作用。此外,我们还对同轴流场下的剪切速度进行了简单的模拟,发现随着搅拌速度的增加,转轴对液体施加的剪切作用逐渐增强,因而分子链受到的牵引作用和取向也更加明显。(4)通过高速剪切s-PVA/SWNTs复合分散液,形成了一种高SWNTs含量的s-PVA复合纤维材料,并对纤维成型过程和机理以及纤维结构进行了研究。结果表明,高速剪切过程中SWNTs诱导s-PVA分子链在流场中取向,随着剪切时间的增加,s-PVA包裹着SWNTs从分散液中逐渐析出形成一种具有三级结构的复合纤维,即微原纤,微纤,纤维。热重分析表明,通过对SWNTs含量相对较低的分散液(比如10.0 wt%)施加高速剪切作用可以制得高SWNTs含量(20.7 wt%)的s-PVA纤维。
【学位单位】：苏州大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TQ342.4;TB332
【部分图文】：

Ｃｈｅｎ等人［３４植过茶多酚（ＴＰ）对ＳＷＮＴｓ进丨／物理修饰，利川ＴＰ中的儿茶素??（ＥＧＣＧ）的氧化性和其与ＳＷＮＴｓ之间的电子转移作用，火火提高了?ＳＷＮＴｓ的分??散性（如图１－２所示）。本课题组的陆玲玲等人也曾利用ＴＰ分散剂，将ＭＷＮＴｓ打??效地分散于ＰＶＡ基体中，从而获得均匀稳走的复合分散液［３５］。??Ａ?ｏｈ?Ｂ??ｏｈ，ｘｘ０Ｈ??ＥＧＣＧ?〇Ｈ?Ｇｒｅｅｎ?Ｔｅａ?ＳＷＮＴ／?ＳＷＮＴ／?ＳＷＮＴ??ＯＨ?ＧｍｅｎＴｅａ?ＥＧＣＧ??图?１－２?（Ａ）?ＥＧＣＧ?的化学结构式；（Ｂ）?ＴＰ，?ＳＷＮＴ／ＴＰ，ＥＧＣＧ／ＳＷＮＴｓ?和?ＳＷＮＴｓ??超声分散在水中的照片［３４］??Ｆｉｇ．?１－２?（Ａ）?Ｃｈｅｍｉｃａｌ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｏｆ?ＥＧＣＧ．?（Ｂ）?Ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈ?ｏｆ?ｇｒｅｅｎ?ｔｅａ，?ＳＷＮＴ?ａｎｄ?ｇｒｅｅｎ??ｔｅａ，ＥＧＣＧ?ｓｏｎｉｃａｔｅｄ?ｗｉｔｈ?ＳＷＮＴｓ，ａｎｄ?ＳＷＮＴｓ?ｉｎ?ｗａｔｅｒ．?［３４］??３??

结构的形成，对聚合物的结晶形态有较大影响。??Ｗａｎｇ等人［５１片旨出随着剪切速率的不断增加，聚合物稀溶液中的分子链将由无??规卷曲状态逐渐向伸展状态转变（图１－４）。在弱流场作用下，分子链构象几乎不发??生改变。ｃｏｉｌ－ｓｔｒｅｔｃｈ模型认为，只有当剪切速率到达一定临界值时，分子链的构象??才会由无规线团直接转变成伸直链，且不存在中间任何过渡构象。???＞??＞??＞??Ｆｌｏｗ?——＞???一―??＊＊＾＊＂＊＂，丨?＿＂丨■咖＿丨’，??０?９?〇?°?〇?Ｏ?＇。０?＇＇?°。?〇?’?．。??°?Ｍ?Ｕ?，?０?〇?０??Ｏ?〇?〇?ｏ＇０?Ｇ?〇?．一０、?〇?！?Ｑ?〇?Ｏｎ?〇?Ｏ＇?ｎ?〇??。美?ａ。。?０?〇?〇?ａ－?°?〇?〇?〇?°?＼°?０?°??Ａ?＼?ｎ?．?〇?〇〇＇?〇?ｒ＿Ｋ?〇?％ｉ?°?〇?、?〇??〇?。＾１＾。。。？、?。０?。＇?〇?０??〇?／〇?〇?＼〇?＇?ｂ?〇／?＾?〇?〇?〇?Ｑ?ｖ?〇?〇?〇?°／?〇?〇?°??°?〇?°?〇?°?°?〇?？°?〇?

ＣＮＴｓ产生的局部应力在流场中得到放大，吸附更多的分子链在其表面。所以??与静态相比，ｉＰＰ／ＣＮＴｓ体系的成核密度在施加剪切作用后变大，从而加速ｉＰＰ的结??晶动力学（如图１－５所示）。??－ｗｉｔｈｍｉｔｓｈｅａｒ??ＩＥ１０Ｌ＾ａｒ?ｏ——＾ｔ！?■■■■■■??ＣＮＴ?ｃｏｎｔｅｎｔ?（ｗｔ％）?ｉｐｐ?ｃｎｍｊ２?ｃｎｍｊｓ?ｃｍ＾．ｉ?ｒａｍｓ?ｃｍ－ｕ??图１－５静态和剪切条件下ＣＮＴ／ｉＰＰ纳米复合材料在１４２?°Ｃ等温结晶过程中结晶半衰??期的变化及对应的不同ＣＮＴ含量ＣＮＴＡＰＰ纳米复合材料的偏光显微照片［５７］??Ｆｉｇ．?１－５?Ｃｈａｎｇｅｓ?ｏｆ?ｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ?ｈａｌｆ－ｔｉｍｅ?ｏｆ?ＣＮＴ／ｉＰＰ?ｎａｎｏｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ?ｉｓｏｔｈｅｒｍａｌｌｙ??ｃｒｙｓｔａｌｌｉｚｅｄ?ａｔ?Ｔｃ?ｏｆ?１４２?°Ｃ?ｕｎｄｅｒ?ｑｕｉｅｓｃｅｎｔ?ａｎｄ?ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ?ｓｈｅａｒ?ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ?ａｎｄ?ｔｈｅ??ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ?ＰＯＭ?ｍｉｃｒｏｇｒａｐｈｓ?ｏｆ?ｉＰＰ?ｗｉｔｈ?ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ?ＣＮＴ?ｃｏｎｔｅｎｔｓ．?［５７］??Ｔａｎｇ等人％研究了流场和ＣＮＴｓ对聚乳酸（ＰＬＡ）的在高过冷度下非等温结晶??行为，观察到静态下加入ＣＮＴｓ后，ＰＬＡ的成核密度有所増加；施加剪切流动后，??成核位点增多，结晶速率显著提高（图１－６Ａ）。图１－６Ｂ形象地显示出，当对ＰＬＡ／ＣＮＴ??复合体系施加剪切流动后，无序的ＰＬＡ分子链和ＣＮＴｓ均沿着流动方向有所伸展、??取向
【参考文献】

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本文编号：2865410