插层高岭石复合材料制备及静电纺丝性能.pdf

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插层高岭石复合材料制备及静电纺丝性能1 插层高岭石复合材料制备及静电纺丝性能2 插层高岭石复合材料制备及静电纺丝性能3 插层高岭石复合材料制备及静电纺丝性能4 插层高岭石复合材料制备及静电纺丝性能5 插层高岭石复合材料制备及静电纺丝性能6
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第43卷第1O期—2015年1O月第4954页材料工JournalofMaterials程EngineeringVo1.43No.10—Oct.2015PP.4954PAN/插层高岭石复合材料制备及静电纺丝性能PreparationandElectrostaticSpinningPerformanceofP0lyacryl0nitrile/IntercalatedKaoliniteNnanocomposite侯桂香,谢建强,姚少巍,张翠云(华北理工大学材料科学与工程学院河北省无机非金属材料重点实验室,河北唐山063009)———HOUGuixiang,XIEJianqiang,YAOShao-wei,ZHANGCuiyun(HebeiProvinceKeyLaboratoryofInorganicNonmetallicMaterials,CollegeofMaterialsScienceandEngineering,NorthChinaUniversityofScienceandTechnology,Tangshan063009,Hebei,China)——摘要:以二甲基亚砜为前驱体制备插层高岭石(KDMSO),通过原位聚合制备聚丙烯腈(PAN)与KDMSO的复合物,——利用静电纺丝技术制备PAN/KDMSO复合纤维膜。采用XRD,FTIR,TEM和TGA研究PAN/KDMSO复合物的微—观形态和热性能,并采用SEM,POM和拉伸试验机对其纤维膜的形貌和拉伸强度进行测试表征。结果表明:PAN/KDMSO中含有高岭石的内外羟基峰,表征层间距的d值随PAN进入高岭石的层间而增大,部分高岭石被剥离形成厚—度为2~5nm的片层结构分散在PAN基体中。KDMSO的加入使PAN的耐热性提高,PAN纤维膜的直径减小,拉伸——强度增加。PAN与KDMSO的质量比为8:1时,PAN/KDMSO纤维膜的拉伸强度与PAN相比,在未处理,冷压和热处理的情况下分别提高了0.92,1.73MPa和1.96MPa。关键词:聚丙烯腈;插层高岭石;原位聚合;静电纺丝doi:10.11868/j.issn.1001-4381.2015.10.008中图分类号:TQ342.31文献标识码:A———文章编号:10014381(2015)10004906—Abstract:Intercalatedkaolinwaspreparedwithtwodimethylsulfoxide(DMSO)asprecursor,polyac——rylonitrile(PAN)/KDMSOnanocompositeswaspreparedbyinsitupolymerizationwithPANandin——terealatedkaolin,andthefibermembranesofPAN/KDMSOcompositewerepreparedthroughelectrostaticspinningtechnology.Themicrostructureandthermalpropertiesofintercalationcomposites———PAN/KDMSOwerestudiedbyusingXRD,FTIR,TEMandTGA.ThemicromorphologyandtensilestrengthoffibermembraneswerecharacterizedbySEM,POMandtensiletestingmachine.The—resultsshowthatPAN/KDMSOcontaininghydroxylgrouppeakwhichbelongtothekaolin.ThedlayerspacingvalueofkaoliniteincreaseswithPANintointerlayer,andpartofkaoliniteispeeled—andformslamellarstructurewiththicknessof2~5nmdispersedinapolymermatrix.Theheatresist——anceofPAN/KDMS0compositeiSincreasedwiththeadditionofKDMSO.ThediameterofPANfiber—membranesdecreasesandthetensilestrengthincreaseswiththeincreaseofKDMS0.Whenthemassratioof——thePANandKDMSOiS8:1,thetensilestrengthiSincreasedbv0.92,1.73MPaand1.96MPainuntreated,coldpressingandheattreatmentconditions,respectively,whencomparedwithPAN.Keywords:polyacrylonitri1e;intercalatedkaolinite;insitupolymerization;electrospinning高岭石。是一类含水的铝硅酸盐黏土矿物,其层间具有某种活性,适宜作为化学反应的场所。但高岭石层间作用力较强,可交换的阳离子少,无膨胀性,所以与其同系的蒙脱土相比,较难与有机物发生插层反应。到目前为止,聚合物单体或聚合物都不能直接插入到高岭石层间,仅有醋酸钾、尿素、肼、二甲基亚砜等少数化合物可以直接插入高岭石层间。然而高岭石的晶格结构较蒙脱土更为完美,晶格中杂质更5O材料工程2015年10月少,层间很少存在吸附水和可交换离子,因而具有更好的结构稳定性,有利于制备得到高性能的无机/有机纳米复合材料,此外,层间的非对称结构又使插层复合物能作为性能优良的功能材料而得以应用]。因此开展高岭石有机插层纳米复合材料的研究具有非常重大的现实意义。将单体分子通过取代置换高岭石层间的极性小分“子实现二次插层,并在原位发生聚合形成所谓的嵌入”“”纳米复合材料或层离纳米复合材料已成为近年来的研究热点。Yin等]以DMSO和甲醇为前驱体通过原位聚合成功制备了聚二甲基苯胺的插层复合物;Vahabi等口。。研究了聚甲基丙烯酸甲酯的插层复合物的热降解和阻燃性;冯莉等口利用超声法原位聚合制备了不饱和聚酯树脂/高岭石纳米复合材料;Sun等_1以原位乳液聚合的方式制备了聚丙烯腈的插层复合物。其中丙烯腈作为重要的纤维及目前唯一可制得连续纳米级碳纤维的原丝,对聚丙烯腈进行改性的研究_1卜¨],特别是通过静电纺丝方法制备无机物掺杂的聚丙烯腈纳米纤维的研究引起了人们的极大兴趣。本实验以二甲基亚砜插层高岭石为前驱体,用过硫酸铵为引发剂,使丙烯腈单体在插层高岭石的层间进行原位聚合,制备聚丙烯腈/高岭石插层纳米复合材料,通过X射线衍射、傅里叶变换红外光谱、透射电镜和热重分析对聚丙烯腈/高岭石插层复合材料进行表征与分析,并对该复合材料的静电纺丝性能进行了研究。1实验材料与方法1.1主要原料丙烯腈,N,N一二甲基甲酰胺(DMF),丙酮,甲醇,分析纯,由天津市科汇达化工有限公司提供;过硫酸铵,亚硫酸钠,分析纯,由天津市大茂化学试剂厂提供;“高岭石,平均粒度为7.158/zm,粒度中值为5.035m,由苏州苏秀高岭石厂提供。1.2PAN/l【_DMSO复合物的制备—1.2.1DMSO插层高岭石(KDMSO)的制备—称取10g高岭石悬浮于100mL二甲基亚砜(DM℃So)和9mL蒸馏水的混合液中,在120下磁力搅拌,冷凝回流反应3h,抽滤,用大量无水乙醇洗涤除去复合物外表面多余的DMSO,50 ̄C下烘干8h,得到白色—粉末状样品KDMSO。—1.2.2PAN/KDMSO插层复合物的制备在装有搅拌器、温度计、氮气管的250mL的四口烧瓶中加入94mL沸腾过的蒸馏水及6g丙烯腈,通入氮气,5min后加入0.88g过硫酸铵及0.07g亚硫酸℃钠,维持反应温度为70~8O,45min反应完毕,取出℃沉淀过滤,用水洗后再用甲醇洗,最后放入40真空干燥箱中烘干恒重,得到白色粉末状样品聚丙烯腈。—依照同样的方法,按质量比(下同)KDMSO:AN为—10:1,9:1和8:1制备不同KDMSO含量的PAN/—KDMSO插层复合物。1.3静电纺丝纤维膜的制备以体积比为7:3的DMF与丙酮为溶剂,配置浓—度为0.125g/mL的PAN/KDMSO复合物纺丝液,利———用DWP5034ACCD型高压电源和789100C型注射泵自制静电纺丝装置进行纺丝。电纺条件:电压15kV,接收距离15cm,速率1.2mL/h。1.4测试与表征—用Nicolet一380型傅里叶变换红外光谱仪对K—DMSO、PAN与PAN/KDMSO复合物进行红外光谱分析;采用D/MAx一6000型x射线衍射仪对高岭石、——KDMSO与PAN/KDMSO进行x射线分析,测试条件:Cu靶、K。射线,管电压与管电流分别为40kV和100mA,一0.154056nm,测试范围:20=5~4O。;采用STA449C型热分析仪对PAN及其插层复合物进行℃℃热性能分析,升温速率10/min,30~800,氮气气氛;采用JEM一2010透射电子显微镜观察插层高岭石的形貌;采用S一4800型场发射扫描电子显微镜和—XPL一2型光学显微镜观察纤维膜形貌;采用AGSX型万能拉伸试验机测试纤维膜的拉伸强度,拉伸速率为5ram/rain2结果与分析2.1微观结构分析—图1为KDMSO(曲线1)、PAN(曲线2)和—PAN/KDMSO(曲线3)的红外光谱图。曲线1中的吸收峰3695,3652cm和3621cm属于高岭石的羟基伸缩振动峰,其中3621cm归属于高岭石片层的内羟基伸缩振动峰。曲线2中,2939cm处为PAN亚—甲基的特征吸收峰,在PAN/KDMSO曲线中红移至2934cm处;2250cm为PAN碳氮键伸缩振动。145lcm为PAN中亚甲基的不对称弯曲振动峰,这些吸收峰在曲线3中同样存在。在高岭石层间改性过程中,外羟基受到环境影响会使伸缩峰产生偏移,而内羟基受到影响较小,一般不产生偏移,因此3621cm峰可以作为高岭石存在的特征峰,在不含高岭石的PAN(曲线2)红外谱图中,没有任何的羟基伸缩振动—峰,在PAN/KDMSO纳米复合材料中,不仅含有内羟基的3621cm峰,而且还有外羟基的3695cm峰,54材料工程2015年10月studyofintercalationofhydrazinehydrateinkaolinite[J].ActaChimicaSinica,2013,71(11):15531562.[5]ZHANGY,LIUQ,wUz,eta1.Thermalbehavioranalysisof—kaolinitedimethylsulfoxideintercalationcomplex[J].Journalof—ThermalAnalysisandCalorimetry,2012,110(3):11671172.[6]L1Y,SUND,PANX,eta1.Kaoliniteintercalationprecursors—口].ClaysandClayMinerals,2009,57(6):779786.r7]GUERRADL,OLIVEIRASP,SILVARAS,eta1.Dielectricpropertiesof0rganofunctionalizedkaoliniteclayandapplicationinadsorptionmercurycation[J].CeramicsInternational,2012,38—(2):16871696.—[83ZHAOS,QIUS,ZHENGY,eta1.Synthesisandcharacteriza—tionofkaolinwithpolystyreneviainsitupolymerizationandtheirapplicationonp。1ypropylene口].Materials&Design,2011,32(2):957963.—[9]YINH,MAI,GANM,eta1.Preparationandpropertiesofpoly(2,3-dimethyianil.ine)/organic_kaoLinitenanocompositesviainsituintercalativepolymerization[J].CompositesScienceand—Technology,2014,94(4):139146.r1O]VAHABIH,BATISTEIIAMA,OTAZAGHINEB,eta1.Influenceofatreatedkaoliniteonthethermaldegradationandflameretardancyofpoly(methylmethacrylate)[J].Applied—ClayScience,2012,70(12):5866.El13冯莉,刘炯天,宋所讲,等.原位聚合制备不饱和聚酯树脂/高岭石纳米复合材料及性能表征[J].高分子材料科学与工程,2008,24(3):7881.—FENGI,1.1UJT,SONGSj,eta1.Preparationandcharacterizationofunsaturatedpolyesterresin/kaoliniteintercalationnanocompositesbyinsitup01ymerization[J].PolymerMaterials—ScienceandEngineering,2008,24(3):7881.—r121SUND,LIY,zHANGB,eta1.Preparationandcharacterizationofnovelnanocompositesbasedonp。lyacrylonitrik/ka0linite—[J].CompositesScienceandTechnology,2010,70(6):981988.[13]李亮,肖长发,黄庆林,等.PTFE/PAN共混中空纤维膜的制备—与性能[J].材料工程,2013,(1):1220.LIL,XIAOcF,HUANGQL,eta1.PreparationandpropertiesofPTFE/PANblendhollowfibermembrane[J].Journalof—MaterialsEngineering,2013,(1):1220.[14]陈宜波,陈友汜,欧阳琴,等.聚丙烯腈/石墨烯纳米复合物的制—备、表征及其热性能[刀.功能材料,2012,43(17):23122316.CHENYB,CHENYS,OUYANGQ,eta1.Preparation,characterizationandthermalpropertyofpolyacrylonitrile/graphenenanocomposites[J].FunctionalMaterials,2012,43(17):—23122316.[15]贾望,杨彦功.高岭石/聚丙烯腈插层共混体系的结构及性能口].高分子材料科学与工程,2008,24(2):111114.—JIAZ,YANGYG.Structureandpropertyblendingofpolyacrvlonitrileanddimethy1formamideintercalatedkaolinite[J].PolymerMaterialsScienceandEngineering,2008,24(2):1l1一】]4.基金项目:河北省自然科学基金项目(B2013209248);唐山市科技计划项目(14130273a)———收稿日期:20140527;修订日期:20141卜O6通讯作者:侯桂香(1981一),女,讲师,硕士,主要从事聚合物改性方面研究,联系地址:河北省唐山市新华西道46号华北理工大学材料科学—与工程学院(063009),Email:hougx@heuu.edu.cn
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