在旋轉滾筒上制備定向電紡纖維素納米晶體-聚苯乙烯復合纖維

2020-01-11 易絲幫

DOI: 10.1002/APP.48942

在聚苯乙烯（PS）-N，N二甲基甲酰胺（DMF）溶液中，對硝基苯（CNC-1）、三氟甲基苯（CNC-2）改性和聚苯乙烯接枝（CNC-g）纖維素納米晶體進行靜電紡絲，并在旋轉滾筒上收集如拉伸的和取向性纖維。掃描電鏡照片顯示，當轉子線速度達到15 m s-1時，未改性和硝基苯改性的CNC-1/PS納米復合纖維具有明顯的取向性。在三氟甲基苯改性（CNC-2）和聚苯乙烯接枝（CNC-g）纖維素納米晶/PS體系的情況下，纖維直徑隨轉速的增加而減小。對經表面改性和聚合物接枝的CNC/PS試樣進行了動態力學分析，包括電紡取向纖維的儲能和彈性模量。根據α轉變峰，隨著填料濃度的增加，接枝CNC-g/PS復合纖維的玻璃化轉變溫度升高幅度最大。這是由于接枝聚合物刷和游離聚合物鏈在連續相上的相互滲透，導致聚合物鏈在PS基質中的運動受到限制。硝基苯（CNC-1）和三氟甲基苯（CNC-2）改性、CNC-填充的PS復合纖維的彈性模量與滲流模型吻合較好，這表明隨著濃度的增加，CNC-CNC的相互作用和網絡形成。聚合物接枝CNC-g在PS中的彈性模量在0.33 vol%時的幅度顯著高于滲流理論的預測值。這是由于CNC-g顆粒周圍固定了聚合物鏈。然而，在較高CNC濃度下，接枝聚合物鏈在CNC顆粒間充當類似于貼紙的作用，導致CNC與基體中包埋的游離聚苯乙烯發生團聚，從而導致彈性模量降低。

圖1.用于電紡和纖維拉伸的實驗裝置（不按比例縮放）。

圖2.由DMF中20%PS溶液靜電紡絲的純PS纖維，并以不同的轉速收集到旋轉盤上：0 RPM（a）；500 RPM（b）；1000 RPM（c）；1500 RPM（d）；2000 RPM（e）；3000 RPM（f）。

圖3.由DMF中30%PS溶液靜電紡絲的純PS纖維，并以不同的轉速收集到旋轉盤收集器上：0 RPM（a）；500 RPM（b）；1000 RPM（c）；1500 RPM（d）；2000 RPM（e）；3000 RPM（f）。

圖4.由DMF混合物中的0.2%CNC-R和20%PS靜電紡絲的CNC-R/PS纖維，并以不同的轉速收集到旋轉盤收集器上：0 RPM（a）；500 RPM（b）；1000 RPM（c）；1500 RPM（d）；2000 RPM（e）；3000 RPM（f）。

圖5.由DMF混合物中0.2%CNC-1和20%PS靜電紡絲的CNC-1/PS纖維，并以不同的轉速收集到旋轉盤收集器上：0 RPM（a）；500 RPM（b）；1000 RPM（c）；1500 RPM（d）；2000 RPM（e）；3000 RPM（f）。

圖6.由DMF混合物中0.2%CNC-2和20%PS靜電紡絲的CNC-2/PS纖維，并以不同的轉速收集到旋轉盤收集器上：0 RPM（a）；500 RPM（b）；1000 RPM（c）；1500 RPM（d）；2000 RPM（e）；3000 RPM（f）。

圖7.由DMF混合物中的0.2%CNC-g和20%PS靜電紡絲的CNC-g/PS纖維，并以不同的轉速收集到旋轉盤收集器上：0 RPM（a）；500 RPM（b）；1000 RPM（c）；1500 RPM（d）；2000 RPM（e）；3000 RPM（f）。

圖8.靜電紡絲纖維的取向與滾筒轉速之間的關系。由DMF中的20%PS溶液靜電紡絲的純PS纖維（a），由DMF中的30%PS溶液靜電紡絲的純PS纖維（b）。由DMF混合物中0.2%CNC-2和20%PS靜電紡絲的CNC-2/PS纖維（c），由DMF混合物中0.2%CNC-2和20%PS靜電紡絲的CNC-1/PS纖維（d），由DMF混合物中0.2%CNC-2和20%PS靜電紡絲的CNC-g/PS纖維（e），由DMF混合物中0.2%CNC-2和20%PS靜電紡絲的CNC-R/PS纖維（f）。其中的實線是為了方便查看。

圖9.纖維直徑與滾筒轉速的關系：由DMF中20%PS溶液靜電紡絲的純PS纖維（a）；由DMF中30%PS溶液靜電紡絲的純PS纖維（b）；由DMF混合物中0.2%CNC-2和20%PS靜電紡絲的CNC-1/PS纖維（c）；由DMF混合物中0.2%CNC-2和20%PS靜電紡絲的CNC-2/PS纖維（d）；由DMF混合物中0.2%CNC-2和20%PS靜電紡絲的CNC-R/PS纖維（e）；由DMF混合物中0.2%CNC-2和20%PS靜電紡絲的CNC-g/PS纖維（f）。