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静电纺有序纳米纤维的制备及其性能研究 中文摘要 中文摘要 有序纳米纤维材料因其具有独特的光、电、磁等性能，在光电子器件、生物 医学等领域具有广阔的应用前景，近几年来成为科学研究的热点。静电纺丝技术 因其具有能耗低，设备简单，工艺条件的模型，已经成为了制备纳米纤维的主要 方法之一，然而，在静电纺丝过程中，射流的不稳定运动导致了沉积在收集板上 的纳米纤维是随机排列的，从而限制了纳米纤维膜的应用领域，例如，对齐纤维 能够提高纤维复合材料的机械性能；在制造电子和电子器件的时候，往往需要高 度有序的结构；排列有序的纤维也可以在组织工程中应用。因此采用静电纺丝技 术制备高度有序和可控的纳米纤维膜成为了这个领域的热点。 本文结合了平行电极法和附加圆环电极法的优点，设计出了附加圆环的平行 电极静电纺丝装置，从而制备出了高度有序和可控的纳米纤维膜。为了优化改造 此装置和获得最优的纺丝工艺参数，本文研究了静电纺有序纳米纤维的制备机理， 并通过调节纺丝工艺参数来制备有序纳米纤维，并对制备的纳米纤维膜做了性能 测试、表征和比较，给有序纳米纤维的可控制备提供了实验和理论依据。 本文首先针对静电纺丝过程不稳定的运动现象，提出了用带有同种电荷的导 电圆环控制射流的运动轨迹，并对其进行了理论分析，发现附加带电圆环后，射 流的喷射范围、摆动幅度明显小于未附加带电圆环的射流喷射范围与摆动幅度， 同时所制备的纳米纤维的直径减小、均匀性提高。 为了探索出最优的纺丝工艺参数，本文通过调节不同的纺丝参数来制备纳米 纤维。结果发现：当聚丙烯腈聚合物 （PAN ）的浓度控制在10%，圆环电压为5kv， 纺丝电压为 15kv，纺丝距离为 15cm 时，能制备出表面光滑、连续、有序性能相 对最好的纳米纤维。 接着，为了提高纳米纤维的力学性能，本文对制得的纳米纤维进行了热拉伸 后处理，研究了热拉伸对纳米纤维有序性、结晶度、放热峰和力学性能的影响。 发现纳米纤维经过热处理后，排列更加致密，乱丝减少，其取向性也得到一定程 度的提高；当纳米纤维经过热拉伸后，在2θ≈170 处衍射峰强度变化比较明显，并 且在2θ≈290 处衍射峰稍有变化，即热拉伸能提高纳米纤维的结晶度；并通过DSC 测试发现，热拉伸能减小纳米纤维的放热峰温度；由此得知热拉伸使PAN 大分子 I 中文摘要 静电纺有序纳米纤维的制备及其性能研究 微晶以及其它结构单元沿纳米纤维轴向发生了改变，改变了纳米纤维的超分子结 构，提高了纳米纤维的结晶度和取向性，从而改善了纳米纤维的断裂强度，增大 了纳米纤维的刚性。 最后，本文讨论了添加剂（MWCNTs与NaCl ）对纳米纤维有序性、表面形态 和力学性能的影响。发现加入适当的添加剂后仍然能够制备有序纳米纤维，然而 添加剂的加入在一定程度上影响了纳米纤维的表面形态与其性能，并且不同性质 的添加剂对纳米纤维的性能影响不同。加入MWCNTs后，MWCNTs极易在溶液中 发生团聚现象，随着MWCNTs含量的增加，纳米纤维的表面不光滑，纤维直径呈 现增大趋势，且获得的MWCNTs/PAN膜的断裂强度出现先上升后下降的趋势，但 是断裂伸长率有持续下降的趋势，当含量达到1.5%时，纳米纤维的断裂强度达到 最大；加入NaCl后，NaCl/PAN溶液的导电性能增加，当NaCl含量为5%时，NaCl 在PAN溶液中分散比较均匀，随着NaCl含量的增加，纳米纤维的直径出现先增大 后减小的趋势，其断裂强力和断裂伸长率则均呈现下降趋势。 关键词：静电纺丝；导电圆环；平行电极装置；PAN ；添加剂；有序纳米纤维 作 者：刘洪莹 指导老师： 徐 岚 II Preparation and Properties of Electrospun Well-Aligned Nanofibers