在旋转滚筒上制备定向电纺纤维素纳米晶体-聚苯乙烯复合纤维

2020-01-11 易丝帮

DOI: 10.1002/APP.48942

在聚苯乙烯（PS）-N，N二甲基甲酰胺（DMF）溶液中，对硝基苯（CNC-1）、三氟甲基苯（CNC-2）改性和聚苯乙烯接枝（CNC-g）纤维素纳米晶体进行静电纺丝，并在旋转滚筒上收集如拉伸的和取向性纤维。扫描电镜照片显示，当转子线速度达到15 m s-1时，未改性和硝基苯改性的CNC-1/PS纳米复合纤维具有明显的取向性。在三氟甲基苯改性（CNC-2）和聚苯乙烯接枝（CNC-g）纤维素纳米晶/PS体系的情况下，纤维直径随转速的增加而减小。对经表面改性和聚合物接枝的CNC/PS试样进行了动态力学分析，包括电纺取向纤维的储能和弹性模量。根据α转变峰，随着填料浓度的增加，接枝CNC-g/PS复合纤维的玻璃化转变温度升高幅度最大。这是由于接枝聚合物刷和游离聚合物链在连续相上的相互渗透，导致聚合物链在PS基质中的运动受到限制。硝基苯（CNC-1）和三氟甲基苯（CNC-2）改性、CNC-填充的PS复合纤维的弹性模量与渗流模型吻合较好，这表明随着浓度的增加，CNC-CNC的相互作用和网络形成。聚合物接枝CNC-g在PS中的弹性模量在0.33 vol%时的幅度显著高于渗流理论的预测值。这是由于CNC-g颗粒周围固定了聚合物链。然而，在较高CNC浓度下，接枝聚合物链在CNC颗粒间充当类似于贴纸的作用，导致CNC与基体中包埋的游离聚苯乙烯发生团聚，从而导致弹性模量降低。

图1.用于电纺和纤维拉伸的实验装置（不按比例缩放）。

图2.由DMF中20%PS溶液静电纺丝的纯PS纤维，并以不同的转速收集到旋转盘上：0 RPM（a）；500 RPM（b）；1000 RPM（c）；1500 RPM（d）；2000 RPM（e）；3000 RPM（f）。

图3.由DMF中30%PS溶液静电纺丝的纯PS纤维，并以不同的转速收集到旋转盘收集器上：0 RPM（a）；500 RPM（b）；1000 RPM（c）；1500 RPM（d）；2000 RPM（e）；3000 RPM（f）。

图4.由DMF混合物中的0.2%CNC-R和20%PS静电纺丝的CNC-R/PS纤维，并以不同的转速收集到旋转盘收集器上：0 RPM（a）；500 RPM（b）；1000 RPM（c）；1500 RPM（d）；2000 RPM（e）；3000 RPM（f）。

图5.由DMF混合物中0.2%CNC-1和20%PS静电纺丝的CNC-1/PS纤维，并以不同的转速收集到旋转盘收集器上：0 RPM（a）；500 RPM（b）；1000 RPM（c）；1500 RPM（d）；2000 RPM（e）；3000 RPM（f）。

图6.由DMF混合物中0.2%CNC-2和20%PS静电纺丝的CNC-2/PS纤维，并以不同的转速收集到旋转盘收集器上：0 RPM（a）；500 RPM（b）；1000 RPM（c）；1500 RPM（d）；2000 RPM（e）；3000 RPM（f）。

图7.由DMF混合物中的0.2%CNC-g和20%PS静电纺丝的CNC-g/PS纤维，并以不同的转速收集到旋转盘收集器上：0 RPM（a）；500 RPM（b）；1000 RPM（c）；1500 RPM（d）；2000 RPM（e）；3000 RPM（f）。

图8.静电纺丝纤维的取向与滚筒转速之间的关系。由DMF中的20%PS溶液静电纺丝的纯PS纤维（a），由DMF中的30%PS溶液静电纺丝的纯PS纤维（b）。由DMF混合物中0.2%CNC-2和20%PS静电纺丝的CNC-2/PS纤维（c），由DMF混合物中0.2%CNC-2和20%PS静电纺丝的CNC-1/PS纤维（d），由DMF混合物中0.2%CNC-2和20%PS静电纺丝的CNC-g/PS纤维（e），由DMF混合物中0.2%CNC-2和20%PS静电纺丝的CNC-R/PS纤维（f）。其中的实线是为了方便查看。

图9.纤维直径与滚筒转速的关系：由DMF中20%PS溶液静电纺丝的纯PS纤维（a）；由DMF中30%PS溶液静电纺丝的纯PS纤维（b）；由DMF混合物中0.2%CNC-2和20%PS静电纺丝的CNC-1/PS纤维（c）；由DMF混合物中0.2%CNC-2和20%PS静电纺丝的CNC-2/PS纤维（d）；由DMF混合物中0.2%CNC-2和20%PS静电纺丝的CNC-R/PS纤维（e）；由DMF混合物中0.2%CNC-2和20%PS静电纺丝的CNC-g/PS纤维（f）。