聚偏氟乙烯/纤维素复合材料的晶体结构及性能研究

作     者：胡榆婕 

作者单位：陕西科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王海军

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：聚偏氟乙烯 纤维素 晶体结构 球晶形貌 

摘      要：聚偏氟乙烯(PVDF)作为一种含氟类多晶型高分子材料,具有优异的压电、热释电性和化学稳定性,广泛应用于传感器、超滤膜和生物医学工程等领域。但是,PVDF有着强疏水性,这会导致膜防污能力差,易受到污染,并且极性相的制备周期过长。为了促进PVDF生成极性相并提高其性能,本文分别使用酸水解法和碱溶解法制备了纤维素纳米晶(CNC,为纤维素Ⅰ)和纤维素Ⅱ,并用阳离子表面活性剂对纤维素进行了表面改性。随后,通过一系列的表征手段,系统地研究了 PVDF/纤维素复合材料中纤维素的形态结构对PVDF的球晶形貌、晶体结构及性能的影响规律。研究结果如下:(1)在PVDF/CNC复合体系中,CNC与PVDF之间能形成分子间作用力,使PVDF分子链发生扭转并调整构象,在高温结晶时,形成γ相晶体。DSC结果进一步证实,添加CNC还提高了 PVDF的熔融温度及结晶温度,加快了球晶的生长速率,提高了热稳定性。CNC作为PVDF的成核剂,在高温、低温和溶液结晶条件下都可以促进α-PVDF的成核,随着其含量的增加,球晶尺寸减小。力学性能研究表明,添加CNC使复合材料的断裂强度由42.2 MPa提高至45.6 MPa,杨氏模量由1128.7 MPa提高至1273.3 MPa,同时提高了材料的刚性,使其不易变形。(2)用NaOH/尿素水溶液经低温预冷后溶解纤维素,得到纤维素Ⅱ,然后使用溶液共混法制备了 PVDF/纤维素Ⅱ复合薄膜。通过偏光显微镜(POM)跟踪研究PVDF的结晶过程发现,PVDF在纤维素Ⅱ的纤维表面快速成核。在高温熔融时,γ-PVDF的含量随纤维素Ⅱ浓度的增加而增加。对复合材料的性能研究表明,加入纤维素Ⅱ对PVDF的力学性能影响不大,但明显提高了复合薄膜的亲水性能。当纤维素Ⅱ含量由0 wt%增加至5 wt%时,水接触角由91.9°减小到45°,改善了 PVDF的疏水性,减少膜污染。(3)为进一步提高纤维素在PVDF基体中的分散性,增加相互作用,用阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)对纤维素表面进行改性,研究了改性材料对PVDF复合薄膜的晶体结构影响。FTIR和SEM结果表明,CTAB成功包覆在微晶纤维素(MCC)表面上,使其可以均匀分散在PVDF基体中。PVDF/CTA-MCC复合材料在高温时生成γ极性相,而在较低的结晶温度下,CTA-MCC有利于β相的结晶,并且β-和γ-PVDF的含量随着CTA-MCC含量的增加而增加,这表明PVDF与CTA-MCC之间能形成较强的离子-偶极作用力,该作用力使得PVDF的分子链构象发生调整,进而形成极性相。