發(fā)布時(shí)間：2020-10-25 07:34

　　 芳綸納米纖維(Aramid nanofibers,ANFs)作為近年來開發(fā)的一種新型納米高分子纖維材料,兼具了納米纖維特殊的納米結(jié)構(gòu)與芳綸纖維自身優(yōu)異的機(jī)械性能、耐溫性能與絕緣性能,已成為構(gòu)筑高性能納米材料極具發(fā)展前景的“納米基元”之一。然而,ANFs與芳綸纖維同屬有機(jī)高分子,具有相同的化學(xué)結(jié)構(gòu),勢必會由于分子中含有的發(fā)色基團(tuán)致使其面臨潛在的紫外老化問題,這將嚴(yán)重影響ANFs基材料在戶外條件下使用的持久性。因此,探究具有特殊納米結(jié)構(gòu)的ANFs能否改善芳綸纖維的紫外耐候性尤為關(guān)鍵。本研究針對ANFs種類單一、紫外老化機(jī)制不明晰等問題,首先利用具有不同形貌與比表面積的芳綸纖維為原料,基于堿溶法制備了四種差別化ANFs和ANFs紙并對比分析其微觀形貌、機(jī)械性能與熱穩(wěn)定性,同時(shí)探究了ANFs的成型與成紙機(jī)理;其次以ANFs紙為研究對象,探究了紫外光誘導(dǎo)下ANFs紙結(jié)構(gòu)與性能的演變與老化機(jī)制,并對比研究了ANFs紙與芳綸纖維紙的耐紫外老化性;最后基于ANFs優(yōu)異的紫外屏蔽與增強(qiáng)性能,研究了ANFs的引入對納米原纖化纖維素(Nanofibrillated cellulose,NFC)在機(jī)械性能、表面潤濕性和紫外屏蔽性能方面的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)論如下:采用四種差別化芳綸纖維原料(紗線、短切、漿粕和沉析纖維),通過堿溶法制備了四種差別化ANFs,并通過濕法造紙制備了差別化ANFs紙。研究結(jié)果表明,芳綸纖維原料越長,ANFs越長,ANFs紙斷裂強(qiáng)度越高;但ANFs過長易發(fā)生絮聚,紙的斷裂強(qiáng)度下降;芳綸纖維原料比表面積越大,ANFs直徑尺寸越小,ANFs紙模量越高,柔韌性越差,斷裂伸長率越小。這主要?dú)w因于堿溶法制備ANFs時(shí),KOH/DMSO體系中纖維軸向分子中酰胺鍵間氫鍵被破壞,N-H鍵斷裂發(fā)生去質(zhì)子化并帶有負(fù)電荷,纖維在徑向逐級裂解;原料纖維比表面積越大,溶劑滲透率越高,徑向裂解越快;添加質(zhì)子供體如水促進(jìn)了N-H鍵重建,ANFs被質(zhì)子化還原并通過氫鍵交聯(lián)形成二維透明紙。綜合分析,由短切纖維所制備的ANFs具有較寬的直徑分布(16.74±2.37 nm)和較大的長度尺寸(8~10μm),短切ANFs紙具有透明(600 nm處的光透過率為81.85%)、高強(qiáng)(斷裂強(qiáng)度為103.40±6.93 MPa)、延展性好(5.56±0.66%)和耐高溫(TG_(10%)為521℃)的特性,綜合性能最佳。通過紫外加速老化試驗(yàn)探究了ANFs紙?jiān)诮Y(jié)構(gòu)與性能方面的演化規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn),ANFs紙的斷裂強(qiáng)度隨著紫外老化時(shí)間的延長先從最初的111.83MP下降到46.10 MPa,隨后又增長到76.55 MPa;微觀結(jié)構(gòu)方面,纖維狀A(yù)NFs在紫外輻射初期(96 h)逐漸降解形成納米顆粒,輻射后期(96~168h)ANFs納米顆粒趨于絮聚。深入探究ANFs的紫外老化機(jī)制發(fā)現(xiàn),在輻射初期ANFs中酰胺鍵發(fā)生了氧化降解生成羰基產(chǎn)物的光降解現(xiàn)象,在輻射后期羰基產(chǎn)物(羧酸)進(jìn)一步進(jìn)行光化學(xué)交聯(lián)形成了酸酐。此外,對比芳綸纖維紙與ANFs紙的紫外老化結(jié)果,發(fā)現(xiàn)ANFs紙由于具有特殊的納米結(jié)構(gòu)和比宏觀尺度的芳綸纖維紙更為致密的紙張結(jié)構(gòu),在模擬自然老化長達(dá)九年的條件下,其機(jī)械強(qiáng)度保留率比芳綸纖維紙高58.5%,具有更優(yōu)異的耐紫外老化性。因此,ANFs在一定程度上可作為一種優(yōu)異的紫外吸收/屏蔽材料。利用ANFs優(yōu)異的紫外屏蔽與增強(qiáng)性能,通過均相混合法和濕法造紙將ANFs添加到NFC基質(zhì)中,制備了一系列ANFs/NFC透明紫外屏蔽型復(fù)合納米紙。改變ANFs添加量可對上述復(fù)合納米紙的機(jī)械性能、表面潤濕性和紫外屏蔽性能進(jìn)行調(diào)控。研究表明,當(dāng)ANFs添加量為2.0 wt.%時(shí),ANFs/NFC復(fù)合納米紙的綜合性能最佳。與純NFC紙相比,其斷裂強(qiáng)度、模量和斷裂伸長率分別增長了73.41%、77.40%和12.32%;表面接觸角高達(dá)83.9°,增長了19.86%;可見光透過率可達(dá)83.45%(550 nm),紫外光屏蔽率分別高達(dá)88.64%(300 nm)和83.31%(225 nm)。此外,在365 nm的紫外光下照射12 h后,上述復(fù)合納米紙仍然保持優(yōu)異的光穩(wěn)定性。
【學(xué)位單位】：陜西科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TQ342.72;TS761
【部分圖文】：

陜西科技大學(xué)碩士學(xué)位論文.1.1 芳綸纖維的制備和分子結(jié)構(gòu)對位芳綸纖維，即聚對苯二甲酰對苯二胺（Poly-para-phenylene terephthalamide，PP維，泛指分子鏈上至少有 85%的酰胺鍵直接與兩個(gè)苯環(huán)連接的線性高分子聚合物[9]熟的 PPTA 纖維的制備工藝主要包括單體混合、低溫縮聚、液晶紡絲和纖維后處理步驟，如圖 1-1 所示[10]。其中，液晶紡絲對形成具有高取向度和高結(jié)晶度的 PPTA 具有決定性作用。在該過程中，單根 PPTA 剛性碳鏈沿纖維軸向排布，酰胺基團(tuán)與形成強(qiáng)的 π-π 共軛堆積作用；分子鏈之間平行堆砌，鏈段排列整齊；相鄰酰胺基團(tuán)維徑向以氫鍵交聯(lián)[1]。最終 PPTA 剛性碳鏈輔以軸、徑向分子作用力構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)狀的 PP分子結(jié)構(gòu)[11]，如圖 1-2 所示。a b

芳綸納米纖維紙的制備及其紫外老化性能研究與應(yīng)用維基本優(yōu)異的性能之外，PPTA 漿粕纖維的無毒特性促使它成為一種非常具有發(fā)展前景的石棉替代品，目前主要用于密封、摩擦、造紙等領(lǐng)域[15]。PPTA 沉析纖維是近年發(fā)展的另外一種新型 PPTA 差別化產(chǎn)品。區(qū)別于其他纖維的制備工藝，PPTA 沉析纖維并未經(jīng)過紡絲過程，是由在液晶溶液中直接添加沉析劑并進(jìn)行高速離心制備而得的。目前沉析纖維主要作為濕加工性能優(yōu)良的粘結(jié)劑組分用于 PPTA 紙基材料的制備[1]。a b c d

PPTA 纖維化學(xué)惰性高-1 所知，盡管 PPTA 分子結(jié)構(gòu)中含有大量極性基團(tuán)（酰胺鍵），積和范德華力的共同束縛作用下，光滑纖維表面僅有少量基團(tuán)處極大地降低了 PPTA 纖維與基體材料通過物理交聯(lián)或化學(xué)鍵合的PPTA 纖維加工性能差光滑的表面結(jié)構(gòu)和高的化學(xué)惰性影響了纖維在基質(zhì)相中的分散性難以獲得均勻穩(wěn)定的纖維分散體系。述，提高 PPTA 纖維的表面活性并改善 PPTA 纖維與基體材料之動 PPTA 纖維復(fù)合增強(qiáng)材料快速發(fā)展的關(guān)鍵因素。針對上述問題了纖維表面改性技術(shù)與過程控制技術(shù)兩種解決思路。纖維表面改性技術(shù)面改性技術(shù)是通過物理或者化學(xué)途徑直接或者間接提高纖維表面，纖維物理改性的主要目的是降低纖維表面取向度并增加纖維比面粗糙度。此外，通過引入一定數(shù)量的活性基團(tuán)如羥基、羧基和學(xué)活性[19-24]。PPTA 纖維的主要改性技術(shù)及其技術(shù)特點(diǎn)如圖 1-3 所
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本文編號：2855660