复合纤维材料的制备与表征

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近年来,在诸多制备复合纤维的方法中,静电纺丝技术倍受关注,因其具有操作简单、适用范围广、生产效率相对较高等优点,且制得的纤维可达微/纳米尺度,在先进材料领域有着潜在的应用前景。采用静电纺丝技术制备纳米级复合纤维已成为纤维研究的一大热点。本论文的研究工作主要分为三个部分。第一、二部分研究以左旋聚乳酸(PLLA)、醋酸纤维素(CA)、聚氧乙烯(PEO)为原料,丙酮和氯仿为溶剂,应用静电纺丝技术分别制备了PLLA/CA和PLLA/PEO纳米复合纤维膜。采用场发射扫描电镜(FE-ESEM)、差示扫描量热(DSC)、广角X-射线衍射(WAXD)、静力材料力学和表面接触角测试对纤维的物理性能进行了表征,研究结果如下:对于PLLA/CA复合纤维,用FE-ESEM观察纤维的微观形貌,发现CA组分的引入使复合纤维呈现两种直径分布,且粗纤维直径较相同条件下电纺纯PLLA纤维有所增大,但随CA含量增加,复合纤维的平均直径逐渐减小;DSC测试结果表明PLLA与CA具有良好的相容性,CA含量是影响复合纤维焓变的主要因素;静力材料力学测试得出结论,复合纤维的拉伸性能随CA含量增加而增强;表面接触角测试说明添加CA组分后,复合纤维的亲水性能提高,且在可纺范围内,CA含量越高,亲水性越好。对于PLLA/PEO复合纤维,FE-ESEM测试发现加入PEO组分制得的复合纤维也呈两种直径分布,纤维平均直径随PEO含量增加而增大,且随着PEO含量增加,纤维丝表面出现均匀分布的多孔结构;DSC测试结果得出,当PEO含量较少时,二者表现出一定的相容性,但当PEO量超过1%时,PLLA对PEO的结晶影响减弱,结合WAXD测试分析得出,PLLA与PEO组分发生了相分离而分别结晶;静力材料力学测试表明,PLLA/PEO复合纤维的拉伸性能与纯PLLA纤维相比有所增强,且随PEO含量增加而进一步增强。从表面接触角测试的数据与现象中得出,复合纤维的亲水性能提高,PEO组分改善了纤维膜的亲水性能,这对静电纺丝材料在生物支架领域的应用有重要意义。第三部分研究了纤维素纤维材料降解性能的表征方法,并比较了纤维素织物在实验室条件下和大面积堆肥环境中的生物降解性能。选用四种纤维素纤维材料,即天然棉纤维及人造莫代尔纤维、竹原纤维和天丝纤维,分别采用ASTM D5988-03法、纤维素酶降解法和堆肥法进行测试。实验发现,这四种纤维材料在三种降解过程中均表现出较好的生物降解性,且人造纤维织物的降解性要好于天然棉纤维,其中,竹原纤维表现出的降解速度最快。用扫描电镜和红外光谱对纤维降解前后的形貌和结构进行分析进一步证明此结论。与天然土壤和实验室条件下测试纤维织物降解性能的方法相比,堆肥环境温度相对较高,微生物和酶活性组分更多,它们协同作用对纤维素织物的降解更为有利。
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