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无溶剂纳米类流体的制备及阻燃性能与机理研究

无溶剂纳米类流体的制备及阻燃性能与机理研究

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作者：袁军武汉纺织大学

学位级别：硕士

高分子材料具有质地轻、化学性能稳定、耐腐蚀等优点,逐渐成为航空航天、交通运输、建筑等领域重要的基体材料。然而,作为碳基材料,易燃的特性限制了其进一步应用,提高高分子材料的阻燃性能是至关重要,目前,不同类型的阻燃剂已被报道,... 详细信息

高分子材料具有质地轻、化学性能稳定、耐腐蚀等优点,逐渐成为航空航天、交通运输、建筑等领域重要的基体材料。然而,作为碳基材料,易燃的特性限制了其进一步应用,提高高分子材料的阻燃性能是至关重要,目前,不同类型的阻燃剂已被报道,如卤素阻燃剂、磷系化合物、金属氧化/氢氧化物等,但传统阻燃剂一直受到阻燃效率低和损害基材力学性能的困扰,伴随纳米技术的快速发展,引入纳米粒子作为阻燃剂成为阻燃领域研究的一个热点,研究者基于纳米技术设计了有机-无机杂化、无机-无机杂化等新型阻燃剂。但纳米材料存在易团聚,在基材中分散不均等问题,改善纳米粒子团聚、提高阻燃剂与基材相容性,缓解其对基材力学性能的损害成为目前科研和生产所面临的重要挑战。近年来,一种由纳米粒子为核心,有机柔性长链作为外壳的纳米类流体被设计与合成,特殊的核壳结构可以抑制纳米粒子的团聚。此外,纳米类流体可以改善聚合物界面作用,具有增韧效果。纳米类流体优异的性能使其在复合材料领域得到广泛应用。然而纳米类流体在阻燃领域的研究与应用鲜有报道。本文分别以纳米Si O和MXene为核心,设计合成了两种不同类型的纳米类流体,应用于聚合物,系统地研究了纳米类流体对聚合物材料各种性能的影响,并通过综合手段揭示了纳米类流体的阻燃作用机制,该成果将为拓展类流体的应用以及阻燃高性能聚合物制备提供理论和实验依据。本课题的具体研究内容如下:（1）首先以纳米Si O粒子为核,通过离子交换法设计合成了一种含有有机磷成分的新型纳米类流体,名为Si O-NPES-P,使用透射电子显微镜（TEM）、傅里叶红外光谱（FTIR）、核磁共振等对Si O-NPES-P的结构进行表征。通过将Si O-NPES-P与环氧树脂（EP）进行物理共混制备了阻燃EP复合材料,利用热重分析仪、差示扫描量热仪研究了EP复合材料的热稳定性。使用极限氧指数测试仪和锥形量热仪对EP复合材料的阻燃性能以及燃烧行为进行了研究,结果显示,与纯EP相比,极限氧指数从22.0%提高到了EP-5%的28.5%,热释放速率峰值（PHRR）和总的烟释放量（TSP）分别下降了33.8%和52.4%。通过扫描电子显微镜（SEM）、X射线光电子光谱仪（XPS）、拉曼光谱对Si O-NPES-P的阻燃机理进行了系统研究。由于Si O-NPES-P与EP良好的相容性,EP复合材料的力学性能均高于纯EP,此外EP的高透明性仍能得到保持（所有样品的透光率均高于94%）。（2）使用Li F-HCl法对TiAl C进行刻蚀得到层状MXene,采用共价键作用将聚醚胺（M2070）接枝到MXene表面,制备得到MXene类流体。通过TEM、FTIR、SEM对其结构进行表征,将其与聚磷酸铵（APP）和成炭剂BPOPA通过物理共混的方式添加到聚乳酸（PLA）中,使用差示扫描量热仪和流变仪对PLA结晶行为和流变行为进行探究。结果显示,阻燃PLA复合材料结晶性能得到提高,阻燃PLA具有更低的粘度,这有利于PLA的加工和合成。锥形量热测试结果表明,阻燃剂的加入大大提高了PLA的防火性能,PLA-3的PHRR和TSP分别下降了66.8%和83.2%。力学性能测试表明,MXene类流体的加入可以缓解APP和成炭剂BPOPA对PLA力学性能的损害。此外,阻燃剂的加入还赋予PLA优异的抗紫外线能力。

关键词：无溶剂纳米类流体阻燃性阻燃机理流变性能

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功能纳米类流体调控聚合物膜结构与性能研究

功能纳米类流体调控聚合物膜结构与性能研究

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作者：申晖武汉纺织大学

学位级别：硕士

塑料因其质轻、抗腐蚀性强、防水、耐用、成本低等特性被广泛使用,但不可降解塑料的大量使用给环境带来了巨大压力。本课题拟从塑料可降解化、提高塑料耐用性的角度解决这一问题。一方面,本课题启发于皮肤流汗,从不牺牲材料本身性能并... 详细信息

塑料因其质轻、抗腐蚀性强、防水、耐用、成本低等特性被广泛使用,但不可降解塑料的大量使用给环境带来了巨大压力。本课题拟从塑料可降解化、提高塑料耐用性的角度解决这一问题。一方面,本课题启发于皮肤流汗,从不牺牲材料本身性能并赋予材料耐磨性以达到延长材料使用寿命的角度,以二氧化硅纳米粒子与聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)为原料制备了一种热响应性自润滑材料;另一方面,获灵感于银杏叶分泌杀菌物质实现自我保护,本课题通过以纤维素和聚乳酸(PLA)为原料制备出具备抗菌性的多功能可降解医用敷料。本课题主要工作具体如下:(1)以二氧化硅纳米粒子为核,通过共价键将季铵盐硅烷偶联剂接枝在表面,后采用离子交换法将带有机长链的表面活性剂接枝在外层。采用傅里叶红外光谱(FTIR)、透射电镜(TEM)等手段表征了二氧化硅类流体(Si O nfs)的化学组成以及核壳结构,通过流变测试证实了其类液行为和温度响应性。将Si O nfs和PMMA通过溶液共混浇注得到均匀的多功能膜。通过摩擦试验发现复合膜的摩擦系数(COF)随着Si O nfs含量的增加而降低,当Si O nfs的重量含量为10%时复合膜的COF最低(相比于纯样降低了3倍)。通过扫描电子显微镜(SEM)、水接触角(WCA)、原子力显微镜(AFM)、X射线光电子光谱仪(XPS)等表征了薄膜的热响应性,数据表明当Si O nfs含量小于等于10%时,复合薄膜的COF在加热后出现降低。由于PMMA表面的Si O nfs的小尺寸兼双层离子结构,复合材料显示出优异的亲水性(混入Si O nfs后复合膜水接触角保持在15°左右)、防雾性、抗静电性以及高透明度(所有样品透光率均大于85%)。(2)通过酸水解将纤维素粉末转化为纤维素晶,后经离子交换法将其制备成纤维素纳米晶类流体(CNCfs),使用FTIR、TEM等设备表征了其核壳结构;采用热重分析(TG)技术表征了其耐热性,经过流变测试表明了其类液行为以及低粘性。借助静电纺丝将其嵌入到PLA得到PLA/CNCfs纤维膜。力学性能数据表明CNCfs能够同时增强增韧PLA;通过接触角测量仪、透湿量仪等方式表征了复合膜的亲水性,结果表明PLA/CNCfs具备超强的亲水性和吸水能力,且水蒸气透过率(WVTR)达到3.612 g m h(比纯聚乳酸纤维膜高81倍)。此外,选用红外热成像、体电阻仪、导热仪等仪器测试了膜的一系列物理性能,结果表明PLA/CNCfs纤维膜具有良好的抗静电性能,和优异的散热性能(相对于纯PLA减少了2℃),其中,当CNCfs含量为20 wt.%时,PLA/CNCfs具有最高导热率(高达0.27 W/m K)。通过抗菌实验测试了复合膜的抗菌性,结果显示PLA/CNCfs具有良好的抑菌性,对革兰氏阴性大肠杆菌和阳性金黄色葡萄球菌的抑菌率分别为98.5%和92.7%。

关键词：无溶剂纳米类流体自润滑纤维素纳米晶医用敷料增强增韧

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无机纳米类流体/聚乳酸Janus纤维膜制备及应用研究

无机纳米类流体/聚乳酸Janus纤维膜制备及应用研究

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作者：秦义武汉纺织大学

学位级别：硕士

聚乳酸(PLA)是一种具有良好的生物相容性、环境友好性,高模量、高强度的生物可降解热塑性高分子材料。但是,纯PLA存在脆性大、亲水性差等缺点,限制其进一步的应用。目前,研究者们常用聚合物粒子、无机纳米粒子等对PLA进行填充改性的研... 详细信息

聚乳酸(PLA)是一种具有良好的生物相容性、环境友好性,高模量、高强度的生物可降解热塑性高分子材料。但是,纯PLA存在脆性大、亲水性差等缺点,限制其进一步的应用。目前,研究者们常用聚合物粒子、无机纳米粒子等对PLA进行填充改性的研究。同时,采用静电纺丝将PLA与功能性材料复合或共混后纺丝成纤维膜,可赋予PLA多功能性,扩展其应用领域。本课题以有机长链离子修饰无机纳米粒子表面制备无溶剂纳米类流体,与PLA共混后利用静电纺丝构建功能性的Janus PLA纤维膜,应用于油水乳液分离和光热转换等水处理方面。主要研究内容如下:1、以二氧化硅(SiO)纳米粒子为核、硅烷偶联剂和有机长链的聚氧乙烯醚为冠层,通过离子交换反应制备得到SiO纳米类流体。分别将SiO类流体、纳米碳管与PLA溶液共混,利用静电纺丝制备功能性的Janus PLA纤维膜。通过FTIR、DSC和XRD测试结果表明CNTs对聚乳酸的影响很小。通过TEM、WCA测试结果表明SiO类流体在膜中均匀分散,并提高了膜的润湿性,两侧的差异性(接触角差值大于140°)有利于油水乳液的分离。油水分离装置测试Janus PLA纤维膜的对几种油水乳液的分离效果,结果表明Janus PLA纤维膜有良好的分离效果。Janus PLA纤维膜对水/四氯化碳乳液,水/正己烷乳液,水/石油醚乳液的通量分别为1630 L m h,1456.77 L m h和1485.48 L m h。12次循环后,其通量稳定率和分离效率分别为81%和99.1%,83%和99%,82%和99.2%。Janus PLA纤维膜对四氯化碳/水乳液,正己烷/水乳液和石油醚/水乳液的通量从966.5 L m h增加到1142.2 L m h。经过11个循环,其通量保持为初始通量的91-92%,分离效率为99-99.5%。多壁碳纳米管(CNTs)掺入PLA中增加纤维膜的表面粗糙度,提高表面的疏水性,使水和油之间的接触角差变大。两亲性的SiO类流体迁移到纤维表面使PLA膜超亲水,水分子在PLA/SiO类流体侧的表面聚集并形成水化层,对油污的团聚有很强的排斥作用。2、用TiO纳米粒子为核、硅烷偶联剂和有机长链的聚氧乙烯醚为冠层,通过离子交换反应制备得到TiO纳米类流体。将TiO类流体和聚氧化乙烯(PEO)与PLA溶液共混,采用静电纺丝制备PLA复合纤维膜,再水洗刻蚀PEO得到多孔纤维膜,最后在纤维膜表面喷涂MXene/PDMS的混合溶液,从而制备一面亲水、一面疏水的Janus PLA纤维膜。通过WCA和UV-Vis-NIR光谱测试膜的润湿性和光吸收能力,结果表明Janus PLA纤维膜有优异的亲水性,且对光的吸收效果良好。通过光热转换装置,测试评价Janus PLA纤维膜有良好的光热转换效果。在1个太阳光的照射下,Janus PLA纤维膜的蒸发速率为0.98 kg m h,蒸发效率约为60%。五种浓度不同的Na Cl溶液来模拟不同海域的海水样品,经过Janus PLA纤维膜淡化后,Na浓度均降低了约4个数量级。模拟近海水中主要离子(Na,K,Ca,Mg)的浓度,经过淡化后的离子浓度(类流体中有机柔性长链与海水中的离子发生交换,有机冠层保持动态稳定,阻止盐的聚集和析出,使得Janus PLA纤维膜具有较好的拒盐效果。而TiO类流体在进行离子交换过程中暴露出的季铵盐,可以抑制细菌的生长繁殖,使Janus PLA纤维膜有抗菌性。

关键词：无溶剂纳米类流体聚乳酸 Janus PLA纤维膜油水分离光热转换

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导电类流体的制备及其在能源材料中的应用

导电类流体的制备及其在能源材料中的应用

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2014年全国高分子材料科学与工程研讨会

作者：熊传溪武汉理工大学材料科学与工程学院武汉纺织大学材料科学与工程学院

锂离子电池是目前应用和开发前景最好的能源材料之一,具有其他二次电池不可比拟的优势,凭借其尺寸小、能量密度高、循环寿命长、无记忆效应和自放电率低等优良的特性,成为目前综合性能优异的电池体系,广泛应用于光电、信息、交通和军事... 详细信息

锂离子电池是目前应用和开发前景最好的能源材料之一,具有其他二次电池不可比拟的优势,凭借其尺寸小、能量密度高、循环寿命长、无记忆效应和自放电率低等优良的特性,成为目前综合性能优异的电池体系,广泛应用于光电、信息、交通和军事国防等领域。电极材料是决定锂离子电池综合性能优劣的关键因素之一,对锂离子电池的发展起着至关重要的作用。传统的电极材料绝大多数使用粉体材料作为活性物质。于是,粘结剂便成为电极制作中

关键词：无溶剂纳米类流体锂离子制备工艺能源材料

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