基本信息
- 項目名稱：
- 電紡聚合物納米纖維的尺寸效應
- 小類：
- 能源化工
- 大類：
- 自然科學類學術(shù)論文
- 簡介：
- 本文對聚丙烯腈（PAN），尼龍4/6（Nylon-4,6），間位芳綸（Nomex），聚乳酸（PLA）等幾種聚合物的電紡納米單絲的直徑及其相應的機械性能進行了測試，發(fā)現(xiàn)這幾種聚合物電紡納米纖維的機械性能對其纖維直徑存在依賴關(guān)系，纖維的拉伸強度和楊氏模量隨直徑的減小呈現(xiàn)急劇上升的趨勢，特別是在纖維直徑小于400 nm后，這種趨勢尤為明顯。這種顯現(xiàn)在不同聚合物納米纖維之中的相同現(xiàn)象實為電紡聚合物納米纖維的“機械性能尺寸效應”。
- 詳細介紹：
- 通過電紡納米單纖維拉伸技術(shù)，測定了直徑范圍在50nm到800nm Nylon6/6納米單纖維的機械性能，研究了纖維直徑對電紡納米單纖維機械性能的影響。與以前報道不同的是，本文利用原子力顯微鏡（AFM）取代掃描電子顯微鏡（SEM）來測量納米單纖維的直徑。利用納米單纖維拉伸測試儀（JQ03new，中國上海），成功測定了直徑小于100nm的納米纖維的機械性能。研究結(jié)果顯示：隨著納米纖維直徑的減小，纖維的拉伸強度和彈性模量增加，并在直徑小于400nm時急劇增大，即稱為“電紡納米纖維機械性能的尺寸效應”。直徑～50nm的Nylon6/6納米單纖維的拉伸強度和楊氏模量分別為9.9GPa和30GPa，而直徑～500nm的Nylon6/6納米單纖維的拉伸強度和模量分別只有108 MPa和1.3 GPa。用拉伸測試方法研究了其他不同種類的聚合物電紡納米纖維的機械性能與其直徑的關(guān)系，如聚間苯二甲酰間苯二胺（Nomex）,聚丙烯腈（PAN），尼龍4/6（nylon 4/6），聚乳酸（PLA）等。結(jié)果顯示：當直徑小于400nm時，這些納米單纖維的拉伸強度和彈性模量也都隨著纖維直徑的減小而增大。說明“電紡納米纖維機械性能的尺寸效應”是普遍存在的現(xiàn)象。
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作品專業(yè)信息
撰寫目的和基本思路
- 電紡聚合物納米纖維的直徑很小，比聚合物分子鏈長小得多。在分子鏈長度比纖維直徑還要大的情況下，電紡納米纖維中聚合物分子的堆積、取向以及纖維表面分子鏈所占比例將與纖維直徑相關(guān)。即纖維直徑將會對纖維的性質(zhì)產(chǎn)生影響。目前，相關(guān)領(lǐng)域?qū)﹄娂徏{米纖維的機械性能，尤其是單纖維機械性能的研究還很有限。本項目研究目的是希望籍此研究結(jié)果提高對電紡納米纖維機械性質(zhì)的更深刻認識，開辟制備高強度電紡納米纖維的新途徑。
科學性、先進性及獨特之處
- 實驗中，我們利用原子力顯微鏡（AFM）取代掃描電子顯微鏡（SEM）來測量納米單纖維的直徑，利用納米單纖維拉伸測試儀（JQ03new，中國上海），成功測定了直徑小于100nm的納米纖維的機械性能。 本項目首次提出并研究尼龍納米纖維機械性能在50至800納米直徑范圍內(nèi)的尺寸效應，是電紡聚合物納米纖維機械性能研究方面的創(chuàng)新。
應用價值和現(xiàn)實意義
- 該項目研究的成功將對電紡聚合物納米纖維的機械性能的深刻認識具有重大的理論意義，所凝練的理論將對制備高強度聚合物納米纖維具有實際的指導作用。 同時，其所構(gòu)成的膜或布不僅有優(yōu)異的過濾性能，可被用來制作不僅舒適而且高效的各種服裝；高效的過濾器也將用在各種地區(qū)的空氣凈化；用在電池工業(yè)上作電池隔膜和高效的電極等；用在宇航事業(yè)中作為光帆推動宇宙飛船在太空飛行。
學術(shù)論文摘要
- 通過電紡納米單纖維拉伸技術(shù)，測定了直徑范圍在50nm到800nm的Nylon6/6納米單纖維的機械性能，研究了纖維直徑對電紡納米單纖維機械性能的影響。與以前報道不同的是，本文利用原子力顯微鏡（AFM）取代掃描電子顯微鏡（SEM）來測量納米單纖維的直徑。利用納米單纖維拉伸測試儀（JQ03new，中國上海），成功測定了直徑小于100nm的納米纖維的機械性能。研究結(jié)果顯示：隨著納米纖維直徑的減小，纖維的拉伸強度和彈性模量增加，并在直徑小于400nm時急劇增大，即稱為“電紡納米纖維機械性能的尺寸效應”。用拉伸測試方法研究了其他不同種類的聚合物電紡納米纖維的機械性能與其直徑的關(guān)系，如聚間苯二甲酰間苯二胺（Nomex）,聚丙烯腈（PAN），尼龍4/6（nylon 4/6），聚乳酸（PLA）等。結(jié)果顯示：當直徑小于400nm時，這些納米單纖維的拉伸強度和彈性模量也都隨著纖維直徑的減小而增大。說明“電紡納米纖維機械性能的尺寸效應”是普遍存在的現(xiàn)象。
獲獎情況
- 無
鑒定結(jié)果
- 無
參考文獻
- [1] Huang, C.B.; Chen, S.L.; Lai, C.L.; Reneker, D. H.; Qiu, H.Y.; Ye, Y.; and Hou, H.Q. [J]Nanotechnology 2006, 17, 1558. [2] Lee, K. H.; Kim, H. Y.; Khil, M. S.; Ra, Y. M.; Lee, D.R. [J] Polymer 2003, 44, 1287. [3] Nair, L. S.; Bhattacharya, S.; Bender, J. D.; Greish, Y. E.; Brown, P. W.; Allcock, H. R.; Laurencin, C. T. [J]Biomacromolecμles 2004, 5, 2212. [4] Hou, H.Q.; Zeng, J.; Ge, J. J.; Reneker, D. H.; Greiner, A.; Cheng, Stephen Z. D. [J]Chem.Mater 2005, 17(5), 967. [5] Guhados, G.; Wan, W. K.; and Hutter, J. L. [J]Langmuir 2005, 21, 6642. [6] Wang, M.; Jin, H.-J.; Kaplan, D. L.; and Rutledge, G. C. [J]Macromolecμles 2004, 37, 6856. [7] Tan, E. P. S.; Lim, C. T. [J]Appl.Phys.Lett 2004, 84, 1603. [8] Leuba, S.; Zlatanova, H. J.; Karymov, M. A.; Bash, R.; Liu, Y-Z.; Lohr, D.; Harrington, R. E.; and Lindsay, S. M. [J]Single.Mol 2000, 1, 185. [9] Tan, E.P.S.; Ng, S.Y.; Lim, C.T. [J]Biomaterials 2005, 26, 1453.
同類課題研究水平概述
- 美國是研究和應用聚合物納米纖維最早的國家，當代電紡絲之父Reneker 博士從上世紀90年代初開始研究用電紡絲技術(shù)制造聚合物納米纖維，引領(lǐng)世界聚合物納米纖維研究的潮流；德國的Greiner博士是中空納米纖維的開拓者，在2000年成功地開發(fā)了中空納米纖維，引導了有機、無機中空納米纖維的國際研究。韓國政府緊隨世界潮流，宣布將納米功能性紡織品生產(chǎn)技術(shù)歸入新一代技術(shù)開發(fā)計劃中，在2010年前投入401億韓元（其中政府承擔252億韓元）作為聚合物納米纖維研究和技術(shù)開發(fā)經(jīng)費。 我國目前在該領(lǐng)域也很活躍，長春應化所、北京化學所、東華大學、清華大學、同濟大學、東南大學等幾家單位在電紡絲技術(shù)領(lǐng)域做了大量的研究工作，取得了優(yōu)異的成績，使我國在電紡技術(shù)的國際競爭行列中占有一席之地。我校在省委、省政府的關(guān)懷下，在省科技廳、省教育廳的積極支持與扶持下，組建了省高校納米纖維工程技術(shù)中心，在省內(nèi)形成了一個聚合物納米纖維研究與技術(shù)開發(fā)的平臺，組建了聚合物納米纖維科研團隊，購買了大量的儀器設(shè)備，并展開了卓有成效的研究工作，取得了令人驕傲的成績。 基于我校納米纖維工程中心在聚合物納米纖維研究領(lǐng)域的雄厚工作基礎(chǔ)和良好的工作平臺，本團隊選擇有關(guān)聚合物納米纖維的制備與性能方面的課題進行研究，希望在一個高起點上取得在國內(nèi)外具有較大影響的研究成果，對推動聚合物納米纖維學科的繼續(xù)發(fā)展作出積極貢獻。
