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纳米纤维从广义上包括纤维直径为纳米量级的超细纤维,也包括将纳米微粒填充到普通纤维中对其进行改性的纤维。根据制备方法的不同可将纳米纤维分为两种:一种是用纺丝、直接聚合、化学降解等方法制备有机纳米纤维;另一种是用分子技术制各无机纳米纤维,如碳纳米管纤维,以及在此基础上发展起来的金属、半导体、合金等纳米纤维。
本文以甲壳素纳米晶和碳纳米管纤维分别作为有机纳米纤维和无机纳米纤维的实例,讨论了纳米纤维的加入对聚合物基体性能的影响。本课题分为两部分研究内容:(1)表面改性的甲壳素纳米晶的制备及其对PHBV热力学性能的影响,其中甲壳素纳米晶是通过化学降解方法制得的有机纳米纤维;(2)碳纳米管/超高分子聚乙烯复合纤维的新型制备工艺,其中碳纳米管纤维是通过化学气相沉积法制得的。该部分内容讨论了CNTs/UHMWPE复合纤维在不同制备工艺条件下的力学性能。具体结论如下:
(1)通过酰氯化反应成功地将低分子量PHBV接枝到了甲壳素纳米晶表面,改善了甲壳素纳米晶在聚合物基体中的分散性,从而提高其对基体的增强效率,拓宽了甲壳素纳米晶作为增强体在复合材料中的应用领域。将表面接枝改性的甲壳素纳米晶分散到PHBV基体中,但是加入的甲壳素纳米晶并没有对PHBV的结晶起到预期的促进作用,这是由于两相之间强烈的氢键所导致的。
(2)当CNTs/UHMWPE复合纤维中含有低比例(～9 wt％)的CNTs时,可以直接对预制的复合纤维进行热拉伸,得到的复合纤维的拉伸断裂强度和杨氏模量比同样制备条件下的纯UHMWPE纤维提高33%和30%。但是当加入多层碳纳米管网后,热拉伸变的困难,限制了CNTs/UHMWPE复合纤维的力学性能的提高。
(3)当加入的CNTs质量分数增加时(～35%),在萃取溶剂前引入了冷拉伸步骤。在冷拉过程中,石蜡油作为润滑剂,超高分子聚乙烯纤维作为石蜡油的载体,首次实现了碳纳米管纤维中碳纳米管排列结构的重组。冷拉伸之后再通过萃取干燥将溶剂除去,最后对预制纤维进行热拉伸,从而得到最终的含有高比例碳纳米管的复合纤维。通过这种后处理工艺的碳纳米管纤维与直接干纺的碳纳米管纤维相比,拉伸断裂强度和杨氏模量分别提高了250%和190%。