取向PAN/MWCNTs与热塑性聚烯烃复合材料的制备及表征

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2022.08.008

中国塑料 ›› 2022, Vol. 36 ›› Issue (8): 49-55.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2022.08.008

取向PAN/MWCNTs与热塑性聚烯烃复合材料的制备及表征

杜青¹(), 何祎¹, 余坦竟¹, 蓝艳姣¹, 赵彦芝¹^,², 周菊英¹^,²^,³()

^1.广西民族大学化学化工学院，南宁 530006
^2.林产化学与工程国家民委重点实验室，广西林产化学与工程重点实验室/协同创新中心，南宁 530006
^3.广西高校食品安全与药物分析化学重点实验室，南宁 530006

收稿日期:2022-03-30 出版日期:2022-08-26 发布日期:2022-08-22
通讯作者: 周菊英（1979—），女，教授，从事聚合物基复合材料制备与应用研究，zhoujuying@126.com
E-mail:3088360580@qq.com;zhoujuying@126.com
作者简介:杜青（1999—），女，在读硕士研究生，从事聚合物基复合材料制备与应用研究，3088360580@qq.com
基金资助:
国家自然科学基金(52063004)

Preparation and characterization of oriented thermoplastic polyolefin/PAN/ MWCNT composites

DU Qing¹(), HE Yi¹, YU Tanjing¹, LAN Yanjiao¹, ZHAO Yanzhi¹^,², ZHOU Juying¹^,²^,³()

^1.School of Chemistry and Chemical Engineering，Guangxi Minzu University，Nanning 530006，China
^2.Key Laboratory of Chemistry and Engineering of Forest Products，State Ethnic Affairs Commission，Guangxi Key Laboratory of Chemistry and Engineering of Forest Products/Guangxi Collaborative Innovation Center for Chemistry and Engineering of Forest Products，Nanning 530006，China
^3.Key Laboratory of Guangxi Colleges and Universities for Food Safety and Pharmaceutical Analytical Chemistry，Nanning 530006，China

Received:2022-03-30 Online:2022-08-26 Published:2022-08-22
Contact: ZHOU Juying E-mail:3088360580@qq.com;zhoujuying@126.com

摘要/Abstract

摘要：

利用静电纺丝并借助高速旋转的滚筒和热牵引作用制备不同取向度的聚丙烯腈/碳纳米管（PAN/MWCNTs）纳米纤维膜，通过高速滚筒和热牵引提高PAN的结晶度从而提高材料的拉伸强度和弹性模量，但会降低断裂伸长率；MWCNTs含量为0.5 %（质量分数，下同）时PAN/MWCNTs力学性能最佳。利用浸渍法将各种取向度的PAN/MWCNTs纳米纤维膜与热塑性弹性体（POE）制备成一系列POE/PAN/MWCNTs复合材料（POE/PM）。结果表明，高取向度POE/h?P2M复合材料的拉伸强度比不取向POE/u?PME复合材料高71 %，拉伸强度显著提高，断裂伸长率则减小，PAN/MWCNTs纳米纤维膜含量为6.7 %时，复合材料的力学性能最佳。

关键词: 静电纺丝, 碳纳米管, 纳米纤维, 取向, 力学性能

Abstract:

A series of polyacrylonitrile （PAN）/carbon nanotube （MWCNT） nanofiber membranes with different orientation degrees were prepared through electrospinning using a high?speed rotating roller and thermal post?treatment. This process resulted in an improvement in the crystallinity of PAN， thus improving the tensile strength and elastic modulus of the nanofiber membranes and decreasing their elongation at break. The PAN/MWCNT nanofiber membranes exhibited optimal mechanical properties at an MWCNT content of 0.5 wt%. A series of thermoplastic polyolefin （POE） composi?tes with the PAN/MWCNT nanofiber membranes at different orientation degrees were prepared using an immersion method. The POE/h?P2M composite with a high orientation degree showed an increase in tensile strength by 71% compared to the POE/u?PM composite without orientation， but its elongation at break decreased. The composites exhibited optimal mechanical performance at a nanofiber?membrane content of 6.7 wt%.

Key words: electrostatic spinning, carbon nanotube, nanofiber, orientation, mechanical performance

中图分类号:

TQ325.1

杜青, 何祎, 余坦竟, 蓝艳姣, 赵彦芝, 周菊英. 取向PAN/MWCNTs与热塑性聚烯烃复合材料的制备及表征[J]. 中国塑料, 2022, 36(8): 49-55.

DU Qing, HE Yi, YU Tanjing, LAN Yanjiao, ZHAO Yanzhi, ZHOU Juying. Preparation and characterization of oriented thermoplastic polyolefin/PAN/ MWCNT composites[J]. China Plastics, 2022, 36(8): 49-55.

图/表 13

图1 MWCNTs处理前后TEM照片

Fig.1 TEM images of MWCNTs before and after processing

图2 不同MWCNTs含量PAN/MWCNTs纤维膜的TEM照片

Fig.2 TEM images of of PAN/MWCNTs fiber membranes with different MWCNTs contents

图3 PAN/MWCNTs纤维膜的应力?应变曲线

Fig.3 Stress?strain curves of PAN/MWCNTs fiber membranes

图4 不同取向PAN/MWCNTs纤维膜的应力?应变曲线

Fig.4 Stress?strain curves of PAN/MWCNTs fiber membranes with different orientation

样品	弹性模量/MPa	拉伸强度/MPa	断裂伸长率/%
u⁃PAN/MWCNTs	40±0.1	2.2±0.2	9.4±2
o⁃PAN1/MWCNTs	130±0.3	3.6±0.2	11.5±2
h⁃PAN1/MWCNTs	880±0.2	5.9±0.2	4.2±1
o⁃PAN2/MWCNTs	680±0.2	5.8±0.3	9.1±2
h⁃PAN2/MWCNTs	880±0.2	7.6±0.4	3.0±1

表1 不同取向PAN/MWCNTs纤维膜的力学性能

Tab.1 Mechanical properties of PAN/MWCNTs fiber membranes with different orientation

图5 不同MWCNTs含量PAN/MWCNTs纤维膜的XRD谱图

Fig.5 XRD spectra of PAN/MWCNTs fiber membrane with different MWCNTs mass contents

图6 不同纤维膜的XRD谱图

Fig.6 XRD spectra of different fiber membranes

图7 样品的FTIR谱图

Fig.7 FTIR spectra of the samples

图8 样品的TG曲线

Fig.8 TG curves of the samples

图9 不同取向POE/PM复合材料的应力?应变曲线

Fig.9 Stress?strain curves of POE/PM composite materials with different orientation

样品	弹性模量/MPa	屈服强度/MPa	断裂伸长率/%
POE/u⁃PM	52±2	3.1±2	103±5
POE/o⁃P1M	66±3	3.9±2	48±5
POE/h⁃P1M	77±3	4.8±3	30±3
POE/o⁃P2M	67±2	4.5±3	38±5
POE/h⁃P2M	125±4	5.3±4	24±2

表2 不同取向POE/PM复合材料的力学性能

Tab.2 Mechanical properties of POE/PM composite materials with different orientation

图10 不同取向POE/PM复合材料的应力?应变曲线

Fig.10 Stress?strain curves of POE/PM composite materials with different orientation

图11 不同取向POE/PM复合材料拉伸断裂截面的SEM照片

Fig.11 SEM images of tensile fracture sections of POE/PM composite materials with different orientation

参考文献 16

1	Wu X F， Yarin A L. Recent progress in interfacial toughening and damage self⁃healing of polymer composites based on electrospun and solution⁃blown nanofibers： an overview［J］. Journal of Applied Polymer Science， 2013， 130：2225.
2	Wang B， Yin J， Wang L， et al. Influence of surfactant modification on structure and properties of CNT hybrid multiscale composites［J］. Macromolecular Materials and Engineering， 2014， 299（3）：344.
3	Neisiany R E， Khorasani S N， Lee J， et al. Encapsulation of epoxy and amine curing agent in PAN nanofibers by coaxial electrospinning for self⁃healing purposes［J］. RSC Advances， 2016， 6：70056.
4	缪月娥，刘天西.基于静电纺丝技术的多级结构聚合物纳米纤维复合材料的研究进展［J］.高分子学报，2012，8：801⁃811.
	MIAO Y E， LIU T X. Recent progress in hierarchically organized polymer nanocomposites based on electrospun nanofibers［J］. Acta Polymerica Sinica，2012，8：801⁃811.
5	Kim J S， Reneker D H. Mechanical properties of composi⁃tes using ultrafine electrospun fibers［J］. Polymer Composi⁃tes， 2010， 20（1）：124⁃131.
6	Ayatollahi M R， Doagou⁃Rad S， Shadlou S. Nano⁃/microscale investigation of tribological and mechanical properties of epoxy/MWNT nanocomposites［J］. Macromolecular Materials & Engineering， 2012， 297（7）：689⁃701.
7	Ma J.， La L. T. B.， Zaman I.，et al. Kuan. Fabrication， structure and properties of epoxy/metal nanocomposites［J］. Macromolecular Materials & Engineering， 2011， 296：465.
8	Naeimirad M， Zadhoush A， Neisiany R E. Fabrication and characterization of silicon carbide/epoxy nanocomposite using silicon carbide nanowhisker and nanoparticle reinforcements［J］. Journal of Composite Materials， 2016， 50：435.
9	Mohammadalipour M， Masoomi M， Ahmadi M， et al. Interfacial shear strength characterization of GMA⁃grafted UHMWPE fiber/epoxy/nano clay hybrid nanocomposite materials［J］. RSC Advances， 2016， 6：41793.
10	李鹏程.碳纳米管在工程技术方面的应用［J］.科技风，2012，18：85.
11	黄轩，刘卓鑫，刘福生，等.聚（3，4⁃乙烯二氧噻吩）：聚苯乙烯磺酸盐热电性能的提升策略研究进展［J］.高分子学报，2021，52（4）：339⁃349.
	HUANG X， LIU Z X， LIU F S，et al. Progress of strategies for improving thermoelectric performance of poly（3，4⁃ethylenedioxythiophene）：poly（styrene sulfonate）［J］. Acta Polymerica Sinica，2021，52（4）：339⁃349.
12	Sung J H， Kim H S， Jin H J， et al. Nanofibrous membranes prepared by multiwalled carbon nanotube/poly（methyl methacrylate） composites［J］. Macromolecules， 2004， 37（26）：9 899⁃9 902.
13	王杨辉. 聚氨酯基复合材料的制备与性能研究［D］. 哈尔滨：哈尔滨工程大学， 2014.
14	李先锋，宋东升. 热致相分离制备聚偏氟乙烯中空纤维膜［C］//全国膜与膜过程学术报告会.天津：天津大学，天津工业大学， 2008：917⁃920.
15	李沐芳. 聚酯纳米纤维及其集合体的制备与结构性能研究［D］. 上海：东华大学， 2012.
16	樊国栋，李亚莉，沈文，等. PLA/PAA复合纤维膜的制备及其力学性能研究［J］. 陕西科技大学学报， 2017， 35（6）：50⁃55.
	FAN G D， LI Y L， SHEN W，et al. Study on the mechani⁃cal properties and preparation of PLA/PAA composite fiber films［J］. Journal of Shaanxi University of Science & Technology， 2017， 35（6）：50⁃55.

[1]	焦志伟, 王克琛, 张杨, 杨卫民. 基于碳纳米涂层沉积滑石粉与炭黑协同填充PVC/ABS复合材料的性能研究[J]. 中国塑料, 2022, 36(8): 10-15.
[2]	张陶忠, 陈晓龙, 郝晓宇, 于福家. 滑石、CaCO₃、BaSO₄填充PP复合材料力学性能及界面相互作用对比[J]. 中国塑料, 2022, 36(8): 36-41.
[3]	于昌永, 辛忠. 基于六氢邻苯二甲酸盐的α/β复合成核剂对聚丙烯性能的影响[J]. 中国塑料, 2022, 36(7): 121-128.
[4]	谭立钦, 刘伟区, 梁利岩, 王硕, 冯志强, 林家明. 含巯基聚硅氧烷改性环氧树脂的制备及性能[J]. 中国塑料, 2022, 36(7): 21-29.
[5]	徐杰, 钟进福, 童晓茜, 李广富, 付栋梁, 李城城. 端羧基修饰单宁酸/没食子酸环氧树脂复合材料的制备与性能研究[J]. 中国塑料, 2022, 36(7): 44-50.
[6]	周舒毅, 朱敏, 刘忆颖, 曹舒惠, 蔡启轩, 聂慧, 张玉霞, 周洪福. 高分子止血材料研究进展[J]. 中国塑料, 2022, 36(7): 74-84.
[7]	黄雪梅, 柳和生, 黄兴元, 余忠, 江诗雨. U型件的气体辅助挤出成型工艺的数值模拟与实验研究[J]. 中国塑料, 2022, 36(7): 93-103.
[8]	李凯泽, 辛勇. 改性碳纳米管增强热塑性聚氨酯复合材料的性能研究[J]. 中国塑料, 2022, 36(6): 1-5.
[9]	王帅, 张玉迪, 杨富凯, 徐新宇. 聚酰亚胺/多壁碳纳米管泡沫材料的制备及性能研究[J]. 中国塑料, 2022, 36(6): 39-45.
[10]	王金业, 唐博虎, 杨立宁, 谢猛, 郭泽朝, 杨光. PA12试件多射流熔融成型工艺研究[J]. 中国塑料, 2022, 36(6): 81-86.
[11]	孙文博, 信春玲, 何亚东, 翟玉娇, 闫宝瑞. 玻璃纤维增强PBT微发泡工艺对其制品泡孔结构的影响[J]. 中国塑料, 2022, 36(5): 1-7.
[12]	王轲, 龙春光. PE⁃UHMW/海泡石纤维复合材料的力学性能与摩擦学性能研究[J]. 中国塑料, 2022, 36(5): 19-23.
[13]	陈胜, 梁颖超, 吴方娟, 方辉, 范新凤, 陈晖, 王永刚. 聚酰胺6/双向经编玻璃纤维复合材料的制备及其界面改性研究[J]. 中国塑料, 2022, 36(5): 24-28.
[14]	何和智, 徐力, 杨以科. 预应力对PC/CF层合板力学性能的影响[J]. 中国塑料, 2022, 36(4): 1-5.
[15]	李梦琪, 陈雅君. 纳米材料阻燃聚乳酸的研究进展[J]. 中国塑料, 2022, 36(4): 102-114.

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