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第 8 期                   顾云智，等:  芳纶纳米纤维增强聚乙烯醇复合膜的制备与性能                                   ·1289·


                 芳香族聚酰胺纤维简称芳纶纤维，由于独特的                          重分析仪、Bruker FT-VERTEX 70 型红外光谱仪,德
            分子结构及分子间作用，使其具有高模量、高强度、                            国 Brucker 公司；RGM-3030 型电子万能试验机，深
            以及耐高温、耐溶剂等性能，常用于增强材料制备                             圳瑞格尔仪器有限公司； WGT-S 透光度/雾度测定
            聚合物复合材料        [1-3] 。但是，芳纶纤维与聚合物基体                仪，上海仪电物理光学仪器有限公司；千分台式薄
            粘附性（作用力）较弱，导致芳纶纤维在聚合物基                             膜测厚仪，上海六菱仪器厂。
            体中分散性较差，因此，直接复合制备的复合材料                             1.2   制备
            的机械性能提高有限。美国 Michigan 大学的 Kotov                        将 20 g PVA 溶于 180 g DMSO 试剂，在 50 ℃
            教授研究组报道，在二甲基亚砜与 KOH 体系中将芳                          下加热 12 h，制备质量分数为 10%的 PVA 溶液。5 g
            纶纤维溶解可制备出直径 3~30 nm，长度 5~10  μm                    芳纶纤维丝被切割剪碎后，溶于 242.06 g DMSO 试
                                    [4]
            的芳纶纳米纤维（ANFs） 。这种新的纳米纤维作                           剂，并加入 0.59 g 叔丁醇钾和 2.35 g 甲醇。在 50 ℃
            为增强填料用于高性能聚合物纳米复合材料的制备                             下缓慢搅拌 48 h，制备质量分数约 2.0%的芳纶纳米
            是一种新的途径，引起了研究者的极大兴趣。芳纶                             纤维分散液。在总质量相同的情况下，按照不同的
            纳米纤维作为增强材料，可以制备出聚氨酯/纳米纤                            质量比将 PVA 溶液和芳纶纳米纤维分散液进行混合
            维、聚丙烯酸/纳米纤维、环氧树脂/纳米纤维等聚合                           并搅拌至少 12 h，放置 2 h，静置脱泡。然后以乙醇
            物纳米复合材料，并具有较好的力学性能                    [5-7] 。      作为凝固浴进行溶剂交换，成膜，浸泡，洗涤，先
                                                               自然风干，再在 40 ℃真空环境中干燥 24 h，获得最
                 聚乙烯醇是一种水溶性聚合物，具有较好的机
            械性能、化学稳定性以及优异的成膜性。由于结构                             终的成膜。实验首先制备了纯芳纶纳米纤维膜和纯
                                                               PVA 膜，然后制备了一系列的复合膜，复合膜中芳
            中富含羟基，其自身或与其他材料可以形成氢键作
                                                               纶纳米纤维的质量分数分别为 1.0%、1.5%、2.0%、
            用，这一特点使得聚乙烯醇可以作为聚合物基纳米
                                                               3.0%、4.0%、5.0%、6.0%、7.0%、8.0%、9.0%、10.0%、
            复合材料较好的研究对象            [8-10] 。
                                                               12.0%、18.0%、20.0%。
                 通常用于聚合物纳米复合材料制备的纳米纤维
                                                               1.3   表征
            由于表面缺乏功能基团，从而在聚合物基体中分散
            性不好，直接影响性能的提高               [11-12] 。因此，研究如        1.3.1   红外光谱表征
                                                                     室温下，利用 KBr 压片法对不同芳纶纳米纤
            何增加纳米纤维与聚合物的分散性、或研究新的纳
                                                               维质量分数的 ANFs/PVA 复合膜进行红外光谱测
            米纤维体系是科学家面临的共同课题。芳纶纳米纤
                                                                                         –1
                                                               试，测试波长为 400~4000 cm 。
            维与传统聚合物纳米纤维（如碳纳米纤维、纤维素
                                                               1.3.2   热重分析
            纳米纤维等）相比具有更高的力学性能和热学性能，                                氮气下，通过 10 ℃/min 的升温速率进行扫率，
                                                    [4]
            可作为一种新的聚合物纳米纤维被引入体系 。                              在室温~800 ℃，对不同芳纶纳米纤维质量分数的
                                              [4]
                 本文首先采用 Kotov 报道的方法 制备出芳纶
                                                               ANFs/PVA 复合膜进行热重分析          [13] 。
            纳米纤维分散液，并与聚乙烯醇在 DMSO 溶液中共
                                                               1.3.3   差示扫描量热分析
            混，制备出不同芳纶纳米纤维含量的聚乙烯醇复合
                                                                   氮气下，变温速率为 20 ℃/min，为避免样品中
            膜。通过 FTIR、DSC、AFM、SEM、电子万能试验
                                                               水分的影响，故先将温度从室温升高至 200 ℃，停留
            机以及透光度/雾度测定仪等考察了复合膜的微观
                                                               5 min，然后将温度骤冷到 50 ℃，消除热历史，再
            结构、热学、光学及力学性能。本文的研究结果为
                                                               次升温至 240 ℃，获得最终的差示扫描量热分析曲
            进一步制备高透明柔性薄膜、聚合物分离膜等有一
                                                               线 [13] 。
            定的借鉴意义。
                                                               1.3.4   力学性能测试
            1   实验部分                                               室温下，将新制烘干的不不同芳纶纳米纤维质
                                                               量分数的复合膜裁剪成长 2 cm、宽 1 cm 的测试样，
            1.1   试剂及仪器                                        通过测厚仪进行厚度测量，通过万能电子拉伸试验
                 芳纶纤维 Kevlar@49，工业级，美国 Dupont 公                机进行拉伸测试，测试 5 次取平均值，获得最终的
            司；二甲基亚砜，AR，天津富宇精细化工有限公司；                           应变-应力曲线      [14] 。
            聚乙烯醇（PVA1788）（醇解度 98%~99%）、叔丁醇                     1.3.5   透光度和雾度测试
            钾（AR），上海阿拉丁试剂公司；甲醇、乙醇，AR，                              室温下，利用透光度/雾度测定仪对同一批次厚
            南京化学试剂有限公司。                                        度同样为 50 μm 的 ANFs/PVA 复合膜进行透光度和
                 S-4800 型扫描电子显微镜,日本 Hitachi 公司；                雾度测试，测试 5 次取平均值，获得一系列同批次
            MultiMode 8 SPM 型原子力显微镜、TG 209 F3 型热               的 ANFs/PVA 复合膜的透光度和雾度数据。
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