论文部分内容阅读
芳纶纳米纤维(ANFs)是一种具有类似碳纳米管形态的超强一维纳米材料。这是一类极具潜力的新型纳米级构筑模块,继承并超越了宏观PPTA纤维的良好性能。但在目前,ANFs的应用仅限于那些结构与之相似、或含有能与之产生较强相互作用官能团的极性聚合物材料的增强。为了突破这种局限,将其应用拓展至包括非极性或弱极性聚合物如PVC、PE和PP等在内的通用高分子材料领域,本文提出利用不同链长烷基对ANFs表面进行功能化的设计思路,将其表面转化为电中性的同时,改变了材料表面极性的大小,从而增强了其与弱极性聚合物基体界面之间的亲和力,实现了芳纶纳米材料在PVC等弱极性高分子材料领域的应用。本文首先将PPTA在DMSO/KOH的作用下,通过酰胺键去质子化作用分散为ANFs。透射电镜(TEM)显示ANFs呈纤维状,直径约为25 nm,且彼此相互缠绕成网状。然后,选取五种溴代烷烃(溴乙烷、1-溴丁烷、1-溴己烷、1-溴辛烷和1-溴十二烷)对ANFs的表面进行适度、可控修饰,通过控制溴代烷烃和ANFs中酰胺键的摩尔比,合成了30种表面性质和形态不同的烷基功能化芳纶纳米材料(R-ANMs)。采用元素分析(EA)、傅里叶红外光谱(FT-IR)和X射线衍射(XRD)等技术对产物进行了表征。TEM显示产物R-ANMs具有不同的形貌特征,随着烷基功能基链长及取代度(DS)的变化,产物不再保持纳米纤维状,而是逐渐呈现纳米短纤维、纳米枝、纳米球和纳米片等不同形态。随后,本文选取常见的通用高分子材料—PVC聚合物为基体,研究了所得R-ANMs与PVC基体间的界面作用机理及不同形态R-ANMs对PVC力学性能的影响规律。以系列溴乙烷改性(ANMs-C2H5-X)、系列溴代正辛烷改性(ANMs-C8H17-X)和系列溴代正十二烷改性(ANMs-C12H25-X)芳纶纳米材料为代表,作为增强相添加到PVC基体中,主要包括:(1)R-ANMs的分散稳定性研究。实验表明,R-ANMs可以均匀的分散在常见有机溶剂中,与未改性的ANFs相比,其溶剂选择范围广,其中DMF为最佳分散溶剂;(2)R-ANMs/PVC复合膜的制备与表征。采取简单的溶液混合法,通过改变三种R-ANMs的重量比,制备了108种R-ANMs/PVC复合膜。FT-IR证实了R-ANMs与PVC基体间氢键作用的存在。扫描电镜(SEM)显示与纯PVC膜相比,R-ANMs的引入,使断口形态出现平整到拉伸形变明显的变化。(3)复合膜力学性能测试。力学性能测试结果表明,在三类R-ANMs/PVC复合膜中,ANMs-C12H25-X/PVC复合膜增强效果最优,其拉伸强度最大值为44.27 MPa、韧性最大值为99.72 N/mm2、杨氏模量最大值为2057.38 MPa,与纯PVC相比分别提高了96.15%,236.78%和57.91%,其中韧性增幅最为显著,显示了其作为纳米增韧剂的应用潜力。本文的研究将ANFs的应用拓宽至非极性/弱极性聚合物领域,同时为基于芳纶的新型纳米功能材料的开发提供了新思路及重要的理论指导。