超高强度聚酰亚胺纳米纤维的形成及其机理研究

本课题研究通过联苯二酐和嘧啶二胺、联苯二胺和对苯二胺等二胺单体的均聚和多组分共聚形成多种化学结构不同的电纺聚酰胺酸纳米纤维，并通过高温红外适时分析和研究聚酰胺酸分子在纳米纤维有限空间内向聚酰亚胺分子转化的过程，研究聚酰亚胺刚性分子在有限纳米空间内的热致取向行为；通过x-射线衍射及高分辩透射电镜研究纳米纤维中聚合物分子的取向性；通过偏振红外和偏振拉曼光谱定量分析聚合物分子在纳米纤维中的取向度，分析和归纳高强度电纺聚酰亚胺纳米纤维的形成机理，优化加工参数，制备超高强度的电纺聚酰亚胺纳米纤维，为现代科学技术的发展与进步开发优质的高性能纳米材料。

本项目研究电纺高性能聚酰亚胺超细纤维的形成方法，探索高强度聚合物电纺纤维的形成机理。通过共聚、共混等手段制备了含嘧啶环结构的高性能聚酰亚胺系列，并电纺相应的前聚体（聚酰胺酸）溶液，形成共聚、共混聚酰胺酸超细纤维，经热亚胺化形成高强度电纺聚酰亚胺超细纤维；用高速摄像机对电纺射流直接进行观察，研究和分析了电纺加工中纳米纤维的牵伸比以及电纺射流在两极间的运行速度。发现聚酰胺酸的分子结构对电纺射流在两极间的运行速度没有明显的影响，而纺丝液的绝对粘度则对射流在两极间的运行速度有显著的影响；亚胺化温度对纤维机械性能的影响很大，刚性的PI分子在高温作用下发生取向作用，形成了PI分子在纤维中有较高取向度的纤维，即PI分子在纤维中通过可逆的“断链-重组聚合”的热致取向作用；高沸点溶剂中实施电纺，溶剂较难挥发，射流在液体状态下的路径更长，被静电牵伸的时间更长，分子被牵伸取向的程度更高。电纺加工中静电荷之间的排斥力对射流中的聚合物分子只有微弱的牵伸取向作用，并且这种微弱的静电牵伸只对液体状态下的射流有效；高温（400-450C）退火，将使聚酰亚胺分子在其纳米纤维中的取向得到大幅度提高（取向度可达95%），是一种热致刚性PI分子在纳米纤维内受迫取向现象；无规共聚的电纺聚酰亚胺纳米纤维的强度大于电纺聚均聚聚酰亚胺纳米纤维的强度，而共混的聚酰亚胺纳米纤维比无规共聚的聚酰亚胺纳米纤维的强度稍高，是三者中强度最高的；聚芳杂环，如聚酰亚胺、聚对苯撑苯并二恶唑（PBO）等分子都是耐高温，刚性大的聚合物，都可以通过高温退火来实现纤维内的热致分子取向，达到提高电纺纤维强度的目的。