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基于互穿网络的有机/无机高分子复合材料的制备及结构、性能研究

作　者: 全凤玉
导　师: 夏延致
学　校: 青岛大学
专　业: 材料学
关键词: 聚乙烯醇纤维素海藻酸二氧化硅有机/无机复合材料溶胶-凝胶法互穿网络
分类号: TB324
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

高分子互穿网络特别是有机/无机高分子互穿网络材料,由于其独特的结构性能已经引起人们广泛的研究兴趣,是目前高分子材料研究领域的热点之一。它部分克服了单一材料和传统复合材料性能的缺陷,使材料既具有无机材料的优点（如刚性、高热稳定性）,又具有高分子材料的优点（如弹性、介电性、延展性和可加工性等）,并且由于两组分之间形成互穿网络结构而产生额外的性能提高。本论文采用溶胶凝胶法,分别采用硅酸钠、正硅酸乙酯为二氧化硅前躯体（二氧化硅以聚硅酸的形式存在）,以纤维素、聚乙烯醇、海藻酸为有机基体,制备出一系列有机/无机高分子复合材料,并研究它们的结构与性能之间的关系。1)采用溶胶凝胶法以正硅酸乙酯为无机前驱体,制备出聚乙烯醇/SiO₂具有部分互穿网络特征膜及纤维。通过FTIR、²⁹Si NMR测试表明,PVA大分子与聚硅酸大分子之间形成了具有双相连续的互穿网络特征的复合材料;通过TEM、AFM测试表明,随着无机相含量的增加,有机相与无机相之间越易形成网络结构,且随着无机相含量增加,有机相与无机相的相容性提高。通过DSC、TG测试表明,无机相的加入和部分互穿网络的形成,提高了PVA大分子的热稳定性。聚乙烯醇/SiO₂混合溶液的纺丝性能优于纯PVA溶液,纺丝温度下降,可纺温度范围变宽,工业化生产可大大节约成本。通过SEM、TEM观察无机粒子在纤维中的分布情况,PVA/SiO₂复合纤维表面含有部分SiO₂,而随着无机相加入量的增加,纤维内部聚硅酸形成网状结构与PVA大分子表成互穿结构。通过TG及DTG表明聚硅酸的加入增强了PVA的热稳定性能。采用极限氧指数法LOI、锥形量热法CONE测定燃烧性能,聚硅酸的加入能有效提高PVA的阻燃性能。2)采用溶胶凝胶法以硅酸钠为无机前驱体,制备出纤维素/SiO₂复合纤维。通过FTIR、TEM分析表明,硅酸钠水解后形成聚硅酸,聚硅酸是一种网络状大分子与纤维素大分子间形成细胞互穿网络结构,纤维素大分子与无机大分子相容性好,使纤维同时具有有机材料与无机材料的优良性能。采用裂解-气相色谱-质谱测试对纤维素纤维的燃烧机理进行了研究,纤维素/SiO₂复合纤维中的聚硅酸与纤维素大分子链之间的互穿与交联,减少了热解过程中左旋葡聚糖及乙醇醛的生成,从而减少可燃性小分子的生成。同时燃烧过程中聚硅酸在纤维表面形成一层二氧化硅,可以阻止外部热量的进入,也可以阻止裂解后产生的可燃性气体的逸出。从而提高了纤维素/SiO₂复合纤维的阻燃性能。3)采用溶胶凝胶法以硅酸钠为无机前躯体,制备了一系列的海藻酸/SiO₂复合纤维。通过FTIR、TEM分析表明,硅酸钠水解后形成聚硅酸,聚硅酸是一种网络状大分子与海藻酸大分子间形成细胞互穿网络结构。通过XRD、锥形量热法CONE对其进行初步的研究,材料的结晶度有所提高,材料的阻燃性能有所提高。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-10
第一章绪论  10-46
  1.1 前言  10-11
  1.2 有机-无机复合材料  11-19
    1.2.1 有机-无机复合材料的分类  11-12
    1.2.2 有机-无机复合材料的制备方法  12-17
    1.2.3 有机—无机复合材料的应用  17-19
  1.3 复合材料特殊形式-互穿网络  19-31
    1.3.1 互穿网络的定义及分类  19-21
    1.3.2 互穿网络的制备  21-24
    1.3.3 IPN微相分离的热力学及动力学  24-25
    1.3.4 IPN的结构形态特征  25-26
    1.3.5 互穿网络的表征  26-28
    1.3.6 互穿网络的应用  28-29
    1.3.7 互穿网络的研究现状  29-31
  1.4 聚合物/二氧化硅复合材料的研究  31-37
    1.4.1 二氧化硅  31-32
    1.4.2 二氧化硅的制备  32-33
    1.4.3 二氧化硅的性质  33-34
    1.4.4 聚合物/二氧化硅复合材料  34-37
  1.5 本研究的意义  37-38
  参考文献  38-46
第二章聚乙烯醇/SiO_2复合材料的制备与研究  46-79
  2.1 引言  46-48
  2.2 实验部分  48-52
    2.2.1 实验原料  48
    2.2.2 仪器设备  48-49
    2.2.3 PVA/SiO_2复合材料的制备  49-51
    2.2.4 PVA/SiO_2复合材料的测试  51-52
  2.3 实验结果与讨论  52-75
    2.3.1 PVA/SiO_2复合材料的FTIR图  52-53
    2.3.2 PVA/SiO_2复合材料的固相~(29)Si NMR分析  53-54
    2.3.3 PVA/SiO_2复合材料TEM图  54-55
    2.3.4 PVA/SiO_2复合材料的AEM图  55-56
    2.3.5 PVA/SiO_2复合材料元素分析  56-57
    2.3.6 PVA/SiO_2复合材料的热力学分析  57-59
    2.3.7 PVA/SiO_2复合材料的表面接触角  59-61
    2.3.8 PVA/SiO_2复合纤维纺丝粘度的测试结果与分析  61-63
    2.3.9 PVA/SiO_2复合纤维灼烧后残留物  63
    2.3.10 PVA/SiO_2复合纤维的XRD曲线  63-64
    2.3.11 PVA/SiO_2复合纤维阻燃性能测试  64-65
    2.3.12 PVA/SiO_2复合纤维的形貌  65-66
    2.3.13 PVA/SiO_2复合纤维的力学性能  66-67
    2.3.14 PVA/SiO_2复合纤维的热稳定性分析  67-68
    2.3.15 PVA/SiO_2复合纤维热降解动力学分析  68-71
    2.3.16 PVA/SiO_2复合纤维纤维的燃烧行为  71-75
    2.3.17 PVA/SiO_2复合纤维燃烧残留物SEM图  75
  2.4 本章小节  75-76
  参考文献  76-79
第三章纤维素/SiO_2复合材料的制备与研究  79-107
  3.1 引言  79-81
  3.2 实验部分  81-82
    3.2.1 原材料  81
    3.2.2 凝固浴的配置  81
    3.2.3 纤维素/SiO_2复合纤维的纺丝  81-82
    3.2.4 仪器与测试  82
  3.3 实验结果与讨论  82-104
    3.3.1 纺丝工艺的确定  82-91
    3.3.2 无机物对纺丝原液粘度的影响  91-92
    3.3.3 纤维素/SiO_2复合纤维的物理机械性能  92-93
    3.3.4 纤维素/SiO_2复合纤维的表面形貌  93
    3.3.5 纤维素/SiO_2复合纤维TG分析  93-95
    3.3.6 纤维素/SiO_2复合纤维热降解动力学  95-99
    3.3.7 纤维素/SiO_2复合纤维的燃烧残余物形貌  99
    3.3.8 纤维素/SiO_2复合纤维的热裂解机理的研究  99-104
  3.4 本章小节  104
  参考文献  104-107
第四章海藻酸/SiO_2纤维的制备与研究  107-121
  4.1 前言  107-109
  4.2 实验部分  109-110
    4.2.1 原料及试剂  109
    4.2.2 纺丝工艺  109-110
    4.2.3 仪器与测试  110
  4.3 结果与讨论  110-119
    4.3.1 海藻酸/SiO_2复合纤维的结构表征  110-112
    4.3.2 无机物对纤维的结晶度的影响  112-113
    4.3.3 海藻酸/SiO_2复合纤维相分布  113-114
    4.3.4 无机物对海藻酸纤维力学性能的影响  114-115
    4.3.5 无机物对海藻酸纤维流变性能的影响  115-116
    4.3.6 无机物对海藻酸纤维燃烧性能的影响  116-119
  4.4 本章小论  119-120
  参考文献  120-121
第五章结论  121-127
  5.1 总结  121-125
  5.2 结论  125-126
  5.3 创新点  126-127
作者在读期间发表的论文及申请的专利  127-129
致谢  129-131
附录:纤维素纤维的PY-GC-Ms裂解色谱图及裂解产物质谱图  131-138

基于互穿网络的有机/无机高分子复合材料的制备及结构、性能研究

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