熔融静电纺聚丙烯纳米纤维的细化机理及其应用研究

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静电纺丝技术是目前制备纳米纤维的一种常用方法,其中包括溶液静电纺丝法和熔融静电纺丝法。后者制备的纤维直径比较大,多为微米级别,难以达到纳米尺度。为了进一步降低纤维直径,提高聚合物纤维性能,本论文采用熔融静电纺丝和相分离相结合的方法,制备纳米级纤维(直径小于500 nm),降低纤维直径尺寸,达到纤维细化的目的,并对熔融纺纳米纤维的应用进行了探索。首先,本文基于聚合物的相容性特征,选取聚丙烯(PP)和醋酸丁酸纤维素(CAB)为主要原料,其中以CAB作为基质,PP作为分散相,使用微型螺杆机进行共混分散以制备熔融静电纺丝用母粒。本论文从分散相在共混体系的液滴破裂模式出发,研究了两相组分比,温度(粘度),剪切速率,共混时间对分散相形态尺寸的影响。结果发现:当PP/CAB的组分比为1/9时候,PP的形态尺寸最小,而且分布最均匀;不同温度下二者的粘度比不同,在温度210.0℃,粘度比接近1.0的时候,分散相的粒径尺寸最小;由于共混过程中出现凝聚现象,因此剪切速率对分散相形态尺寸的影响较小,螺杆转速20.0 rpm时分散相粒径尺寸相对较小;另外,在共混的开始阶段,PP的形态发生变化,共混时间在开始4.0 min时,PP的粒径尺寸最小。然后,选用熔融静电纺丝制备PP/CAB纤维,并借助有机溶剂(丙酮)对牺牲相(CAB)进行溶解去除,得到PP纳米纤维。选择母粒中分散相形态尺寸最小、分布均匀的母粒作为熔融静电纺丝的原料,制备PP/CAB纤维。研究了纺丝条件对纤维尺寸的影响,通过实验探讨了最佳的纺丝条件(温度、电压、纺丝距离),得到当电压27.0 kV,温度210.0℃,纺丝距离8.0 cm的时候,经过处理除去CAB,纤维直径最小,达到320.0 nm,孔隙率最大98.6%,纤维直径得到细化。最后,论文研究了PP纳米纤维膜的吸油性能,保油性能和重复使用性能,并以商业PP纤维膜作为参照。实验中分别用商业PP纤维膜和自制纤维膜对乙醇、石油醚、二氯甲烷、豆油和机油五种油品进行吸附测试并计算了最终的吸附量。自制纤维膜对五种油品的最大吸附量分别为42.90g/g、34.99g/g、62.78g/g、60.26 g/g和66.50g/g。对比商业纤维膜的吸油量分别提高了4-8倍(商业膜的吸附量为11.20 g/g、9.13g/g、16.39 g/g、7.4g/g和17.36g/g)。而且经过10个循环的使用,熔融静电纺制备的纤维膜依然保持良好的吸油性能(吸油量依然可达使用前的81.64%)。
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