聚对苯撑苯并二(口恶)唑原纤化纳米纤维制备技术及结构性能

聚对苯撑苯并二(口恶)唑(PBO)纤维是一种具有多重原纤结构的高分子聚合物.通过机械力作用可以使PBO纤维发生原纤化,制备具有直径小于100 nm的PBO原纤化纳米纤维.文中对PBO纤维发生原纤化的历程及机理进行研究,扫描电镜观察发现PBO纤维的原纤化过程包括:脱除皮层、主干破坏、进一步原纤化等阶段,剥离和劈裂是原纤化的主要方式.经过原纤化处理的PBO纤维,呈现不同尺寸纤维组成的多分散体.打浆度70°SR的PBO原纤化纳米纤维的直径可达到50 nm,其保水值118％,纤维长度分布主要集中在0.3～0.5 mm,比表面积21.89 m2/g.以PBO原纤化纳米纤维为原料,通过湿法成形方式在抄纸系统上制备的纸基材料力学性能随着原纤化程度增加而增加.     

聚对苯撑苯并二噁唑原纤化纳米纤维制备技术及结构性能

聚对苯撑苯并二噁唑(PBO)纤维是一种具有多重原纤结构的高分子聚合物。通过机械力作用可以使PBO纤维发生原纤化,制备具有直径小于100 nm的PBO原纤化纳米纤维。文中对PBO纤维发生原纤化的历程及机理进行研究,扫描电镜观察发现PBO纤维的原纤化过程包括:脱除皮层、主干破坏、进一步原纤化等阶段,剥离和劈裂是原纤化的主要方式。经过原纤化处理的PBO纤维,呈现不同尺寸纤维组成的多分散体。打浆度70°SR的PBO原纤化纳米纤维的直径可达到50 nm,其保水值118%,纤维长度分布主要集中在0.3~0.5 mm,比表面积21.89 m~2/g。以PBO原纤化纳米纤维为原料,通过湿法成形方式在抄纸系统上制备的纸基材料力学性能随着原纤化程度增加而增加。     

原纤化Lyocell纤维/聚乳酸复合材料的结构与性能

采用均质分散法制备原纤化Lyocell纤维,探讨了不同初始纤维长度对Lyocell纤维原纤化程度的影响,在此基础上,进一步通过熔融共混和注塑成型制备原纤化Lyocell/聚乳酸(PLA)复合材料,探讨了初始纤维长度对原纤化Lyocell/PLA复合材料结构与性能的影响。结果表明,相同处理条件下,纤维初始长度越长,Lyocell纤维原纤化程度越低。Lyocell纤维原纤化能改善纤维与基体的界面结合,从而进一步提高复合材料的力学性能。初始纤维长度对原纤化Lyocell/PLA复合材料的拉伸性能无显著影响,而初始长度为4 mm的原纤化Lyocell/PLA复合材料的缺口冲击强度最大,比未原纤化复合材料提高19.0%。此外,Lyocell原纤化后还可进一步提高复合材料的维卡软化温度,当纤维初始长度为10 mm时,原纤化Lyocell/PLA复合材料的维卡软化温度最高,达到161.4℃。     

脱掺杂聚苯胺纳米纤维/低密度聚乙烯复合材料的制备及介电性能EI北大核心CSCD

采用苯胺单体与氧化剂"迅速混合"的聚合方法制备了盐酸掺杂的聚苯胺(PANI)纳米纤维,后经氨水脱掺杂得到脱掺杂聚苯胺纳米纤维,利用扫描电子显微镜观察了脱掺杂PANI纳米纤维的形貌。通过熔融共混的方式配制出不同PANI用量的脱掺杂PANI纳米纤维/低密度聚乙烯(LDPE)复合材料,采用傅里叶变换红外光谱研究了纳米复合材料的结构,并测量了不同温度、不同PANI用量的脱掺杂PANI纳米纤维/LDPE复合材料的电导率、击穿强度和不同频率下相对介电常数及介电损耗。研究结果表明,实验得到了直径均一的脱掺杂PANI纳米纤维;添加适量的脱掺杂PANI纳米纤维的LDPE复合材料电导率降低;添加少量脱掺杂PANI纳米纤维复合材料的击穿强度没有降低;复合材料的相对介电常数先降低后增大,但介电损耗一直在增大。     

脱掺杂聚苯胺纳米纤维/低密度聚乙烯复合材料的制备及介电性能

采用苯胺单体与氧化剂"迅速混合"的聚合方法制备了盐酸掺杂的聚苯胺(PANI)纳米纤维,后经氨水脱掺杂得到脱掺杂聚苯胺纳米纤维,利用扫描电子显微镜观察了脱掺杂PANI纳米纤维的形貌。通过熔融共混的方式配制出不同PANI用量的脱掺杂PANI纳米纤维/低密度聚乙烯(LDPE)复合材料,采用傅里叶变换红外光谱研究了纳米复合材料的结构,并测量了不同温度、不同PANI用量的脱掺杂PANI纳米纤维/LDPE复合材料的电导率、击穿强度和不同频率下相对介电常数及介电损耗。研究结果表明,实验得到了直径均一的脱掺杂PANI纳米纤维;添加适量的脱掺杂PANI纳米纤维的LDPE复合材料电导率降低;添加少量脱掺杂PANI纳米纤维复合材料的击穿强度没有降低;复合材料的相对介电常数先降低后增大,但介电损耗一直在增大。     

提高PVDF基有机-无机柔性复合膜储能密度的研究新进展

随着器件小型化与多功能化的蓬勃发展,柔性储能装置在电子电力系统中的地位日益突出,电介质电容器由于寿命长、功率密度高,深受人们青睐,但是低的储能密度阻碍其广泛应用.有机-无机复合材料将有机介质的柔韧性和高击穿场强与无机介质的高介电常数相结合,是柔性储能材料的一大关注焦点,特别是基于聚偏氟乙烯(PVDF)的有机-无机复合储能介质受到广泛关注.首先,就无机填料类型而言,PVDF基有机-无机复合介质中无机填料的种类有陶瓷粉体、半导体粉体与导体粉体.陶瓷粉体填料的介电常数高、损耗小,但是与PVDF的相容性差,一般需要通过表面改性来改善其与有机介质的相容性;半导体粉体与导体粉体作为PVDF的填料可以显著提升复合材料的介电常数,从而提升其储能密度,但是填料添加量略大容易形成导电通路致使介电储能材料制备失败.其次,就无机填料的形貌而言,同一种材料不同的形貌对复合材料的储能性能有不同影响.零维纳米颗粒在有机基质中易于形成均匀分散的体系,一般随纳米颗粒添加量的增加复合材料的储能密度有一极值,且填料颗粒尺寸减小更有利于电场均匀分布,从而可以进一步提高复合材料的击穿场强和储能密度;采用一维纳米纤维和二维纳米片填料有利于增强复合材料的极化、改变电场的击穿路径,从而增强复合材料的击穿强度,提高其储能密度.最后,采用层状结构设计对提高复合材料的储能密度和储能效率十分有效.单层结构的复合材料以牺牲其击穿强度来提高介电常数,储能密度的提升有限;双层、三层和多层结构将高介电常数的极化层和高击穿强度的绝缘层相堆叠,可同时实现高介电常数与高击穿强度,有效促进复合材料储能密度的提升.有机-无机复合储能材料的研究对解决柔性设备的储能问题十分重要,未来需要寻找更优的复合体系,降低成本,提高工艺可控性,开发适合大规模生产的工艺流程.     

聚合物基微纳米复合材料的制备及微型注塑加工研究

微型高分子功能器件具有独特优点,发展迅速,应用广泛,是当今科学技术的重要前沿,迫切需要发展高性能多功能聚合物基微纳米复合材料,实现其微型注塑加工。介绍了近年来作者课题组在聚合物基微纳米复合材料制备及其微型注塑加工方面的研究进展:通过有机/无机杂化、固相剪切碾磨、纳米复合、分子复合及熔融共混技术等制备适合于微成型加工的高性能多功能聚合物基微纳米复合材料,如尼龙11/钛酸钡压电复合材料、聚乙烯醇/羟基磷灰石生物医用纳米复合材料、聚氨酯/碳纳米管导电复合材料等。解决了微纳米填料难分散、复合体系难加工的难题,实现了聚合物基微纳米功能复合材料的微型注塑加工,研究了其流变行为和充填行为,调控和优化了微型制品的结构与性能,为制备高性能多功能的聚合物微型器件提供了新材料、新技术和新理论。     

静电纺丝技术在超级电容器中的应用

静电纺丝是一种新型的非纺织成丝技术,具有适用材料体系广泛、纤维尺寸结构可控、工艺简便等特点,是制备连续纳米纤维的重要方法.静电纺丝技术制备的纳米纤维薄膜因具有巨大的纳米表面和网状孔隙结构可调等优势,在超级电容器领域显示出诱人的应用前景.综述了近年来静电纺丝技术在超级电容器电极材料和隔膜材料方面的研究进展,介绍了碳基、金属氧化物和聚合物电极材料高活性纳米纤维的制备方法及电化学行为,以及静电纺丝无纺布作为隔膜材料显示出的巨大优势,并总结了制约静电纺丝走向商业化的不利因素,如产率低、薄膜强度不足、喷丝不稳定等,最后介绍了近年来静电纺丝技术在结构可控、规模化制备的产业进展,并展望了其在超级电容器领域中的商业化应用前景.     

石墨烯基超级电容器电极材料研究进展

石墨烯基纳米复合材料是制备超级电容器电极的重要原料之一,也是当下的研究热点。首先介绍了石墨烯/导电聚合物、石墨烯/金属氧化物两类二元纳米复合材料的特点及其制备方法;再介绍了三种不同结构类型的石墨烯/导电聚合物/金属氧化物三元纳米复合材料,并通过分析其结构特点,说明其优势与不足;最后简要介绍了石墨烯与金属硫化物、贵金属粒子以及其他碳材料复合的研究现状。通过分析可知,目前石墨烯基纳米复合材料仍存在较多不足之处,寻求快速、绿色、经济的方法制备能有效提高超级电容器电化学性能的石墨烯基纳米复合材料,将是未来的发展方向。     

钛酸铜钙纳米纤维/液体硅橡胶复合介质非线性电导性能

为解决直流电缆附件内因温度梯度和材料电导率差异而引起的局部电场畸变的难题,本文通过静电纺丝方法制备了钛酸铜钙（CaCu₃Ti₄O₁₂）纳米纤维,并将其分散在液体硅橡胶中合成了具有非线性电导特性的CaCu₃Ti₄O₁₂纳米纤维/液体硅橡胶复合介质。采用XRD和SEM对CaCu₃Ti₄O₁₂纳米纤维和CaCu₃Ti₄O₁₂纳米纤维/硅橡胶复合介质进行微观结构表征,并对CaCu₃Ti₄O₁₂纳米纤维/硅橡胶复合介质的介电特性、空间电荷特性及在30℃、50℃、70℃条件下电导率随电场强度变化规律和击穿强度进行测试,最后建立电缆附件模型,并对附件应力锥根部电场进行仿真。结果发现:CaCu₃Ti₄O₁₂纳米纤维/硅橡胶复合材料的介电常数和电导率都随着CaCu₃Ti₄O₁₂纳米纤维含量的增加而增大,当纳米纤维达到3vol%时复合介质的相对介电常数增加到3.27,非线性电导率也变化了近4个数量级,经过空间电荷测试发现,空间电荷的消散量与CaCu₃Ti₄O₁₂纳米纤维含量也正相关,复合材料的直流击穿强度随纳米纤维含量的增加而降低,通过对附件进行稳态电压作用下的电场分布仿真分析发现,当CaCu₃Ti₄O₁₂纳米纤维的含量为2vol%时,应力锥根部最大电场强度已经从增强绝缘中转移到电缆主绝缘中,在正、反极性雷电冲击电压作用下,3vol%含量的CaCu₃Ti₄O₁₂纳米纤维/硅橡胶复合介质作为增强绝缘材料时最大电场强度均远远低于其击穿强度。以上实验结果表明,CaCu₃Ti₄O₁₂纳米纤维作为填充相在较低的掺杂浓度实现了对液体硅橡胶的改性,满足了复合介质应用于电缆附件的电气绝缘性能需求。      

PPTA纤维原纤化过程及结构变化

聚对苯二甲酰对苯二胺(PPTA)纤维有典型的皮芯层结构,原纤化后的浆粕可以用于摩擦材料、密封材料、绝缘、特种纸基材料等复合材料领域。文中使用PFI型立式磨浆机对聚对苯二甲酰对苯二胺(PPTA)纤维进行处理,对原纤化过程中纤维的形态结构变化进行了研究,最后对制备的PPTA原纤化浆粕进行了表征。结果表明,PPTA纤维通过皮层脱落、逐步剥离、纵向劈裂、进一步分丝而实现原纤化,且制得的浆粕打浆度达到75°SR,保水值为380%,比表面积18 m2/g,结晶度49.4%。     

LDPE熔融接枝纳米SiO2协同增韧PPS的研究

采用熔融接枝共混法制备PPS基纳米复合材料。熔融接枝改性的纳米S iO2粒子在PPS中形成界面粘接较好的S iO2-LDPE核壳包覆结构以及微纤网络结构,使PPS结晶温度显著提高、晶粒细化、结晶度降低。包覆结构、微纤网络结构的形成和结晶特性的变化对PPS的增韧效果显著,使复合材料冲击强度高达85.1 kJ/m2(纯PPS的3.7倍)。     

半纤维素含量对蔗渣纤维基膜结构和性能的影响

目的 为了更好地了解甘蔗渣半纤维素在加工过程中与原纤化纤维之间的化学反应性,并为甘蔗木聚糖生物聚合物在材料和产品中的应用创造可能性。方法 以甘蔗渣纤维为原料,通过机械法制备原纤化纤维,采用NaOH对纤维素进行处理。通过纳米粒度仪(FLA)、激光粒度仪(LPS)、接触角测试仪(CA)、水蒸气透过率测试仪(WVTR)、扫描电镜(SEM)、X-射线衍射(XRD)等手段对原纤化纤维悬浮液和纤维基薄膜进行表征。研究处理后纤维素悬浮液的组成、粒径与电荷量,以及纤维基薄膜的表观形貌、纤维结构和性能的变化。结果 经质量分数大于10%的NaOH处理后,半纤维质量分数降低约6%,纤维素的结晶区发生变化,纤维悬浮液的稳定性大幅度降低。当半纤维素质量分数大于20%时,原纤化纤维薄膜具有优异的水蒸气阻隔性能及疏水性能,接触角为94°±4°。结论 蔗渣中的半纤维素与原纤化纤维之间的相互作用及半纤维素侧基取代反应对纤维素材料的组成、结构和性能有重要影响。     

无机颗粒填充聚合物复合材料的介电性能研究

随着埋入式电容器的发展,具有高介电性能聚合物基复合材料的研究显得尤为重要。目前,高介电聚合物基复合材料主要有两种,铁电陶瓷/聚合物复合材料和导电颗粒/聚合物复合材料。综述了这两种复合材料的特点和最新研究进展,概述了可以增强聚合物基复合材料介电性能的方法。首先针对铁电陶瓷/聚合物复合材料介电常数难以提高的缺点,指出通过高介电聚合物基体的选择、陶瓷填料含量与尺寸形貌的控制,可以有效地提高这类材料的介电常数;同时介绍了这类复合材料不同界面结构和稳固界面的重要性,重点阐述了形成化学键连接的"分子桥"结构的方法;然后针对导电颗粒/聚合物复合材料渗流阈值难以控制和介电损耗高的问题,探讨了影响渗流阈值的因素和减小介电损耗的方法;最后基于本课题组在功能性纳米填料、高介电聚合物复合材料的基础研究及应用探索方面的工作积累,对高介电聚合物基复合材料的未来发展方向做出展望。     

纳米粒子形貌对聚吡咯/LDPE纳米复合材料直流介电性能的影响

为了研究不同微观形貌的纳米导电粒子对低密度聚乙烯(LDPE)直流介电性能的影响,本文采用软模板法制备了直径约100 nm的聚吡咯(PPy)纳米球和纳米线,并将其与LDPE熔融共混制备得到了PPy/LDPE纳米复合材料。利用扫描电子显微镜(SEM)观察了PPy纳米粒子的微观形貌及其在PPy/LDPE纳米复合材料中的分散结构,并测试了复合材料的结晶度、空间电荷分布、介电谱、不同温度下的直流电导电流及直流击穿强度等介电性能。结果表明：PPy纳米粒子的加入可以提高LDPE的结晶度,抑制LDPE中空间电荷的累积,降低其相对介电常数、直流电导电流和直流击穿强度,其中PPy纳米球的加入可在不同温度下使LDPE直流电导电流降低1个数量级以上,而对其直流击穿强度的影响较小,并且在较高温度下可将LDPE的直流击穿强度提升4.4%。PPy纳米球对LDPE绝缘材料直流介电性能的改善效果要优于PPy纳米线。     

纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料高导热性能研究进展

作为一种先进的高温结构及功能材料,高效传热和高温耐热相结合对纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料(silicon carbide matrix composites, SiC CMC)在热管理领域(thermal management, TM)中的应用至关重要。常见的纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料,如碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料(C_f/SiC或C_f/C-SiC)、碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料(SiC_f/SiC)等,增强纤维的石墨化程度较低,难以形成有效的热输运网络。本文综述了纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料制备及高导热性能等方面的最新研究进展。可通过引入高导热相、优化界面结构、粗粒化碳化硅晶体、设计预制体结构等方式提高纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料的热输运能力。此外,展望了纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料发展趋势,即综合考虑影响高导热碳化硅陶瓷基复合材料性能要素,灵活运用复合材料结构与性能的构效关系,以期制备尺寸稳定、性能优异的纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料。     

碳化细菌纤维素的理化性质及其在甲醇电催化中的应用

对在实验室发酵制备的细菌纳米纤维素(BC)分别进行烘箱干燥和冷冻干燥,然后对其高温碳化，系统地研究了碳化细菌纤维素(CBC)的微观形貌、元素组成以及晶体结构等理化性质随碳化温度的变化。结果表明，烘箱干燥的BC失去了纳米纤维结构，而冷冻干燥可防止纳米纤维堆叠而使其保持三维结构。还以CBC碳纳米纤维为导电载体负载金属Pt制备CBC基复合材料并将其用于甲醇电催化，研究了CBC基复合材料的电化学性能与其微纳结构和化学组成之间的内在联系。     

POSS/粘土/多壁碳纳米管杂化碳纳米纸基复合材料防火性研究

多壁碳纳米管(MWCNTs)、粘土和多面齐聚半硅氧烷(POSS)组成的杂化碳纳米纸是通过碳纳米管巴基纸制备工艺制备而成, 碳纳米纸可做为表面防火层与聚合物基复合材料共固化成型。利用场发射扫描电镜(FESEM)和BJH法分别对碳纳米纸和杂化碳纳米纸微观结构和平均孔径分布进行表征。利用锥形量热仪在热辐射功率50 kW/m²条件下分析外贴碳纳米纸复合材料及复合材料对比样的防火特性。燃烧实验结果表明: 碳纳米纸和杂化碳纳米纸作为防火层的复合材料的峰值热释放速率(PHRR)与复合材料对比样相比分别下降20.2%和35%, 同时CO释放量和烟释放量也明显降低。通过FESEM研究表明燃烧实验后外贴杂化碳纳米纸复合材料的燃烧残余物表面形成了一层致密的积炭物结构, 防火阻燃性能明显提高。     

碳纤维和SiO2纳米颗粒增强环氧树脂复合材料的压缩性能

纤维增强聚合物复合材料的压缩性能与聚合物基体力学性质密切相关。本文利用连续碳纤维（CF）和含有均匀分散的SiO₂纳米颗粒改性的环氧树脂基体,制备了CF-nano SiO₂/Epoxy微纳米多相复合材料单向层合板,并对其轴向压缩性能进行了系统的研究。试验表明,将纳米颗粒引入基体能够有效提高纤维增强聚合物基复合材料的压缩强度,占nano SiO₂/Epoxy体积为8.7%的纳米颗粒可将复合材料的压缩强度提升约62.7%。基于单向层合板的弹塑性微屈曲模型对纳米颗粒的增强效应进行了理论分析。根据含纳米颗粒的环氧树脂在压缩过程中的损伤行为,提出了一套基于加卸载试验建立纳米复合材料基体压缩本构关系的方法。将模型获得的基体本构关系与经典复合材料弹塑性微屈曲模型耦合,能够较为准确地预测本研究制备的微纳米多相复合材料的压缩强度。经试验检验,预测结果与实测数值达到很好的一致性。      

微纳米SiC/环氧树脂复合材料的界面和非线性电导特性

以微米和纳米SiC为填料,制备了不同填料配比的微纳米SiC/环氧树脂(EP)复合材料。测试了微纳米SiC/EP复合材料的玻璃化转变温度、室温介电谱和直流电导特性。分析了填料与基体之间的界面对玻璃化转变温度、介电谱及直流电导特性的影响。实验结果表明,在微米和纳米SiC填料的共同掺杂下,随着纳米SiC填料含量的增加,微纳米SiC/EP复合材料的玻璃化转变温度先降低后升高。在相同频率下,微纳米SiC/EP复合材料具有更低的相对介电常数和低频损耗峰幅值。与EP相比,微纳米SiC/EP复合材料具备显著的非线性电导特性。与微米SiC/EP复合材料相比,微纳米SiC/EP复合材料具有更高的非线性指数和阈值电场强度。微纳米SiC/EP复合材料的非线性电导特性与SiC颗粒和EP基体之间的界面区密切相关。