芳纶纳米纤维纸的制备及其紫外老化性能研究与应用

摘要

芳纶纳米纤维（Aramid nanofibers，ANFs）作为近年来开发的一种新型纳米高分子纤维材料，兼具了纳米纤维特殊的纳米结构与芳纶纤维自身优异的机械性能、耐温性能与绝缘性能，已成为构筑高性能纳米材料极具发展前景的“纳米基元”之一。然而，ANFs与芳纶纤维同属有机高分子，具有相同的化学结构，势必会由于分子中含有的发色基团致使其面临潜在的紫外老化问题，这将严重影响ANFs基材料在户外条件下使用的持久性。因此，探究具有特殊纳米结构的ANFs能否改善芳纶纤维的紫外耐候性尤为关键。 本研究针对ANFs种类单一、紫外老化机制不明晰等问题，首先利用具有不同形貌与比表面积的芳纶纤维为原料，基于碱溶法制备了四种差别化ANFs和ANFs纸并对比分析其微观形貌、机械性能与热稳定性，同时探究了ANFs的成型与成纸机理；其次以ANFs纸为研究对象，探究了紫外光诱导下ANFs纸结构与性能的演变与老化机制，并对比研究了ANFs纸与芳纶纤维纸的耐紫外老化性；最后基于ANFs优异的紫外屏蔽与增强性能，研究了ANFs的引入对纳米原纤化纤维素（Nanofibrillated cellulose，NFC）在机械性能、表面润湿性和紫外屏蔽性能方面的影响。实验结论如下： 采用四种差别化芳纶纤维原料（纱线、短切、浆粕和沉析纤维），通过碱溶法制备了四种差别化ANFs，并通过湿法造纸制备了差别化ANFs纸。研究结果表明，芳纶纤维原料越长，ANFs越长，ANFs纸断裂强度越高；但ANFs过长易发生絮聚，纸的断裂强度下降；芳纶纤维原料比表面积越大，ANFs直径尺寸越小，ANFs纸模量越高，柔韧性越差，断裂伸长率越小。这主要归因于碱溶法制备ANFs时，KOH/DMSO体系中纤维轴向分子中酰胺键间氢键被破坏，N-H键断裂发生去质子化并带有负电荷，纤维在径向逐级裂解；原料纤维比表面积越大，溶剂渗透率越高，径向裂解越快；添加质子供体如水促进了N-H键重建，ANFs被质子化还原并通过氢键交联形成二维透明纸。综合分析，由短切纤维所制备的ANFs具有较宽的直径分布（16.74±2.37nm）和较大的长度尺寸（8~10μm），短切ANFs纸具有透明（600nm处的光透过率为81.85％）、高强（断裂强度为103.40±6.93MPa）、延展性好（5.56±0.66%）和耐高温（TG10%为521℃）的特性，综合性能最佳。 通过紫外加速老化试验探究了ANFs纸在结构与性能方面的演化规律。研究发现，ANFs纸的断裂强度随着紫外老化时间的延长先从最初的111.83MP下降到46.10MPa，随后又增长到76.55MPa；微观结构方面，纤维状ANFs在紫外辐射初期（<96h）逐渐降解形成纳米颗粒，辐射后期（96~168h）ANFs纳米颗粒趋于絮聚。深入探究ANFs的紫外老化机制发现，在辐射初期ANFs中酰胺键发生了氧化降解生成羰基产物的光降解现象，在辐射后期羰基产物（羧酸）进一步进行光化学交联形成了酸酐。此外，对比芳纶纤维纸与ANFs纸的紫外老化结果，发现ANFs纸由于具有特殊的纳米结构和比宏观尺度的芳纶纤维纸更为致密的纸张结构，在模拟自然老化长达九年的条件下，其机械强度保留率比芳纶纤维纸高58.5%，具有更优异的耐紫外老化性。因此，ANFs在一定程度上可作为一种优异的紫外吸收/屏蔽材料。 利用ANFs优异的紫外屏蔽与增强性能，通过均相混合法和湿法造纸将ANFs添加到NFC基质中，制备了一系列ANFs/NFC透明紫外屏蔽型复合纳米纸。改变ANFs添加量可对上述复合纳米纸的机械性能、表面润湿性和紫外屏蔽性能进行调控。研究表明，当ANFs添加量为2.0wt.%时，ANFs/NFC复合纳米纸的综合性能最佳。与纯NFC纸相比，其断裂强度、模量和断裂伸长率分别增长了73.41%、77.40%和12.32%；表面接触角高达83.9°，增长了19.86%；可见光透过率可达83.45%（550nm），紫外光屏蔽率分别高达88.64%（300nm）和83.31%（225nm）。此外，在365nm的紫外光下照射12h后，上述复合纳米纸仍然保持优异的光稳定性。

目录

1 绪论

1.1 芳纶纤维概述

1.2 芳纶纳米纤维

1.3 课题目的和意义

1.4 课题研究内容

2 芳纶纳米纤维纸的制备与表征

2.1 实验部分

2.2 结果与讨论

2.3 小结

3 紫外光诱导下芳纶纳米纤维纸的结构与性能演变

3.1 实验部分

3.2 结果与讨论

3.3 小结

4 芳纶纳米纤维/纳米纤维素透明紫外屏蔽型复合纳米纸的制备与表征

4.1 实验部分

4.2 结果与讨论

4.3 小结

5 结论及进一步研究建议

5.1 结论

5.2 论文创新点

5.3 论文中不足及进一步研究建议

致谢

参考文献

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