功能性聚砜酰胺复合材料的制备与表征

论文摘要

聚砜酰胺（PSA）纤维是我国自主研发并拥有独立知识产权的有机耐高温纤维，拥有耐热性、热稳定性和阻燃性等众多优异性能，但常规的PSA纤维存在体积比电阻高、抗紫外线性能差等问题，严重影响其后续加工以及在防护类服装领域的应用。而纳米颗粒拥有优异的力学、热学、电学以及光学性能等，将其添加至聚合物中以提高并优化材料的综合性能已成为聚合物基纳米复合材料科学领域的一个新热点。本文利用碳纳米管（CNT）优异的导电性能以及纳米二氧化钛（nano-TiO2）对紫外线优异的吸收和散射功能来改善PSA的导电性能和抗紫外线性能。通过溶液共混法以PSA为基体分别添加CNT、nano-TiO2以及CNT/nano-TiO2制备二元和三元功能性PSA复合材料纺丝液，然后采用湿法纺丝工艺和数显匀胶技术分别制备复合纤维和复合薄膜。运用扫描电镜、傅立叶变换红外光谱分析、X射线衍射、热重分析等仪器对制备的纳米复合材料进行测试表征，以对其力学性能、热稳定性能、导电性能和抗紫外线性能进行综合分析，研究纳米颗粒及其在聚合物基体中的含量对复合材料各基本性能的影响。研究结果表明：1)少量的纳米颗粒能够均匀分散在PSA基体中，随着颗粒含量增至5%时，复合体系中的纳米颗粒开始出现明显的团聚现象，从而影响纳米颗粒优异性能的发挥以及对复合材料基本性能的改性效果。2)纳米颗粒的加入对PSA具有异相结晶成核的作用，一定程度上改变了PSA特征衍射峰的峰形，提高了衍射峰的强度，对PSA复合纤维的力学性能有一定的改善作用。此外，纳米颗粒的加入没有明显改变PSA的分子结构和化学组成。3)纳米颗粒的添加虽然降低了PSA复合纤维的断裂伸长率，但却明显提高了复合纤维的断裂强度和初始模量，纳米颗粒对PSA力学性能改善程度的高低顺序依次为：CNT> nano-TiO2> CNT/nano-TiO2。4)通过热重分析法、导热模型的建立以及导热系数的计算分析可知，纳米颗粒的加入一定程度上提高了PSA复合材料的起始分解温度和在终止温度的质量残余率，因此提高了纳米复合材料的热稳定性能。5)通过导电性能的测试以及导电网络的建立可知，PSA/CNT以及PSA/CNT/nano-TiO2复合材料导电性能的渗透阀值分别出现在纳米颗粒含量为3%和5%时，此时复合材料的表面比电阻开始急剧下降，导电性能得到显著的提高。6)纳米颗粒的加入明显提高了复合材料的抗紫外线性能，随着基体中颗粒含量的增大，复合材料对紫外光的透过率逐渐下降，且由于纳米颗粒对紫外光能的转化和传递作用延缓了复合材料的光老化现象，从而提高了复合材料的力学性能。CNT/nano-TiO2对PSA复合材料抗紫外线性能的改善程度尤为明显。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 聚砜酰胺纤维的概述
• 1.1.1 聚砜酰胺纤维的制备工艺
• 1.1.2 聚砜酰胺纤维的化学组成
• 1.1.3 聚砜酰胺纤维的基本性能
• 1.1.4 聚砜酰胺纤维的应用领域
• 1.2 聚砜酰胺的发展与研究现状
• 1.2.1 聚砜酰胺纤维的发展概况
• 1.2.2 聚砜酰胺纤维的研究现状
• 1.3 聚合物纳米复合材料
• 1.3.1 聚合物纳米复合材料的制备方法
• 1.3.2 聚合物纳米复合材料的性能
• 1.4 纳米颗粒的性能简介
• 1.4.1 碳纳米管的性能
• 1.4.2 纳米二氧化钛的性能
• 1.5 纳米颗粒的表面改性
• 1.5.1 纳米颗粒的团聚原理
• 1.5.2 纳米粒子的表面改性
• 1.6 本课题的研究内容及研究意义
• 1.6.1 研究内容
• 1.6.2 研究意义
• 第二章 聚砜酰胺纳米复合材料的制备和性能表征
• 2.1 实验部分
• 2.1.1 实验原材料
• 2.1.2 仪器设备
• 2.1.3 复合材料的制备工艺
• 2.2 复合材料的结构表征
• 2.2.1 扫描电子显微镜（SEM）观察
• 2.2.2 光学显微镜分析
• 2.2.3 傅立叶变换红外光谱（FTIR）分析
• 2.2.4 X射线衍射（XRD）分析
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 纳米颗粒在复合材料中的分散情况
• 2.3.2 复合材料的微观形貌观察
• 2.3.3 傅立叶变换红外光谱分析
• 2.3.4 复合材料的结晶性能分析
• 第三章 功能性聚砜酰胺复合材料的力学性能
• 3.1 共混聚合物的界面相容性
• 3.2 改善共混高聚物的相容性
• 3.2.1 添加增溶剂
• 3.2.2 低分子量化合物的增容作用
• 3.3 单纤维的力学性能测试
• 3.4 结果与讨论
• 3.4.1 PSA基纳米复合纤维的力学性能
• 3.4.2 力学性能物理模型的建立与分析
• 第四章 功能性聚砜酰胺复合材料的热稳定性能
• 4.1 热重分析（TG）的基本原理
• 4.2 TG实验测试
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 热重法分析复合材料的热稳定性能
• 4.3.2 共混体系的导热系数
• 4.3.3 导热模型分析PSA复合材料的热性能
• 第五章 功能性聚砜酰胺复合材料的导电性能
• 5.1 纳米颗粒的导电改性研究
• 5.1.1 导电机理
• 5.1.2 碳纳米管的导电特性
• 5.1.3 纳米二氧化钛的导电性能
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 实验材料及设备
• 5.2.2 复合材料表面比电阻的测定
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 导电网络的建立与分析
• 5.3.2 PSA复合材料的导电性能
• 第六章 功能性聚砜酰胺复合材料的抗紫外线性能
• 6.1 纳米二氧化钛抗紫外线的作用机理
• 6.1.1 吸收机理
• 6.1.2 散射机理
• 6.2 碳纳米管的光学性质
• 6.3 实验部分
• 6.3.1 实验材料及设备
• 6.3.2 复合材料抗紫外线性能的测定
• 6.4 结果与讨论
• 6.4.1 PSA/nano-TiO2复合材料的抗紫外线性能
• 6.4.2 PSA/CNT复合材料的抗紫外线性能
• 6.4.3 PSA/CNT/nano-TiO2复合材料的抗紫外线性能
• 第七章 总结与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢