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本论文参考同轴静电纺丝技术和聚合物受限结晶两个领域的相关研究背景,利用同轴静电纺丝技术制备了无定型/结晶型聚合物皮芯超细复合纤维,并对复合纤维的形态、纤维中结晶性聚合物的热行为及红外吸收变化和晶体结构进行了系统的研究。研究工作具体包括以下几个方面的内容:
1)选择半结晶性聚合物,聚乙二醇(PEG)、聚氧化乙烯(PEO)、聚己内酯(PCL)、聚偏氟乙烯(PVDF)以及聚甲醛(POM)作为芯层聚合物,无定型聚合物,醋酸纤维素(CA)和聚丙烯腈(PAN)作为皮层聚合物,利用同轴静电纺丝技术成功制备了分别包裹PEG、PEO、PCL、PVDF以及POM的CA纳米管和PAN纳米管,为PEG、PEO、PCL、PVDF和POM提供了一维连续受限空间。对于CA/PEG复合纤维体系,调节PEG溶液浓度和外/内层溶液注射速率比可以有效控制复合纤维的尺寸的变化,能得到无缺陷的复合纤维,或者有一定缺陷的复合纤维。外层和内层溶液的注射速率和同轴针头对复合纤维的尺寸没有太大的影响。综合考虑,调节内层溶液的浓度是控制复合纤维形态和纳米管内径尺寸最有效的方式。
2)利用DSC法研究PEG和PEO在CA或PAN纳米管中的一维受限结晶行为,发现受限空间能够降低PEG和PEO的结晶温度(Tc)、熔点(Tm)和结晶度(Xm),特别是当受限尺寸很小时,PEG和PEO几乎不结晶。在CA纳米管中,分子量相对较高的PEO能够结晶所需求的受限空间比PEG要大。PEO结晶在CA纳米管中比在PAN纳米管中需要更大的受限空间,PAN对PEO产生了一定的成核剂的作用。
3)利用DSC法研究PCL在PAN纳米管中的一维受限结晶行为。研究发现,一维受限的PCL能够结晶,受限PCL的Tm、Xm和晶体尺寸(ACS)随受限尺寸的增大而增加,PAN对PCL起到成核剂的作用,Tc则先增大后减少。
4)利用DSC法和变温FTIR研究PVDF在PAN纳米管中的一维受限结晶行为。研究发现,受限的PVDF都能结晶,随着受限尺寸的增加,PVDF的Tm和Xm变化不是很大,而Tc和红外结晶温度(Ttransition)则先增大后降低;在熔融重结晶时,PVDF的晶型由原纤维中β-晶部分向α-晶转变,受限尺寸越小,转变程度越大,这种转变程度受到同轴静电纺丝机理,受限空间,聚合界面相互作用以及分子链定向记忆效应等因素的影响。
5)利用DSC法和变温FTIR研究POM在CA纳米管中的一维受限结晶行为。通过热性能和变温红外分析,结果发现,受限POM的结晶都较强,随着受限尺寸的增大,POM的Tc、Ttransitio、Tm、Xm和ACS都逐渐增加,后两者甚至超过了本体POM。等温结晶研究结果表明,在一维连续受限空间中,POM倾向于形成棒状晶体,而非受限的POM则倾向于形成层状或球状晶体。此外,POM的伸展链晶有利于提高POM的分解温度,而受限空间会使POM的热稳定性变差。
综上所述,通过调节内核溶液的浓度,可以有效控制纳米管的内径,即调控结晶聚合物受限空间的尺寸,从而为结晶性聚合物提供一种新型、稳定的一维连续受限空间。受限空间的尺寸、受限界面的特性以及结晶性聚合物自身的结晶能力对聚合物在受限空间的结晶行为和结晶形态都有一定的影响。