聚丙烯酸超细纳米蛛网的制备及成形机理研究

论文摘要

静电纺丝即聚合物喷射静电拉伸纺丝法,与传统方法截然不同。首先将聚合物溶液或熔体带上几千至上万伏高压静电,带电的聚合物液滴在电场力的作用下在毛细管的Taylor锥顶点被加速。当电场力足够大时,聚合物液滴克服表面张力形成喷射细流。细流在喷射过程中溶剂蒸发或固化,最终落在接收装置上,形成类似非织造布状的纤维毡。静电纺制备的纤维具有较高的比表面积、较高的孔隙率,这使得静电纺纳米纤维在信息、能源、环境、生物医学、国家安全等领域都具有广泛的应用潜力。美国人Formhals早在1934年就提出了静电纺丝的概念,然而直到最近十年,随着纳米纤维的兴起,人们才给予静电纺丝极大的关注,做了较系统的理论和实验研究。目前,静电纺纤维的直径一般在100-500nm,只有纤维的直径降低到50nm以下时,材料所产生的纳米效应才最为显著。但是目前的静电纺技术还不能大量制备50nm以下的纤维,这很大程度限制了纳米纤维的应用。如何降低纤维直径和提高产量是静电纺发展遇到的最大挑战。各国研究者经过数十年的努力,通过深入研究静电纺工艺参数和原理试图大量制备50nm以下的纤维,但是收效甚微。本课题首先研究了静电纺的发展历史及现状,以及在静电纺过程中对纳米纤维产生影响的各种重要参数。本课题以聚丙烯酸（PAA）为主要原料,借助于FE-SEM为主要分析手段,首先分析了溶液体系对静电纺纳米蛛网形态和直径的影响。实验发现,以95%乙醇和去离子水共同作为溶剂进行纺丝时,随着乙醇的比重升高,纳米蛛网的数量增加。在此基础上,该课题还讨论了电纺参数,如电压、湿度、添加物、粘度和电导等对纳米蛛网的数量和形态的影响。最终获得了大量连接在普通静电纺纤维之间、平均直径小于50nm的、具有类似于蜘蛛网结构的纳米蛛网。本课题研究了纳米蛛网的形成过程,并借助高速摄像机对静电纺过程进行观察,获得了大量静电纺纳米蛛网的形成过程图。结合现有静电纺理论,得出静电纺过程中射流分裂成液滴是形成纳米蛛网的关键。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 静电纺纳米纤维
• 1.3 静电纺发展历史与研究现状
• 1.4 本课题的研究内容和意义
• 第二章 PAA纳米蛛网的制备
• 2.1 前言
• 2.2 静电纺制备纳米纤维膜
• 2.3 分析内容及方法
• 2.4 实验结果分析
• 2.5 本章小结
• 第三章 影响纳米蛛网制备的参数研究
• 3.1 前言
• 3.2 实验准备
• 3.3 实验参数对纳米蛛网的影响
• 3.4 BET数据分析
• 3.5 DSC数据分析
• 3.6 本章小结
• 第四章 纳米蛛网的成因探讨
• 4.1 引言
• 4.2 高速摄像机数据分析
• 4.3 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表论文情况
• 致谢
• 学位论文修改说明