一维多级结构复合材料的构筑研究

一维多级结构复合材料的构筑研究

随着人类对自然界生物认识的不断深入以及科学发展对材料功能需求的增加,各种材料均向着多级、复合的方向发展。受生物材料多级结构及构效关系的启发,一系列人工合成材料被开发。

性能方面通常继承天然材料的高强度、高韧性、光学活性以及复杂的界面作用等,使其在很多领域包括生物医学、生物、化学传感、能源储存等都有重要的应用。其中一维多级结构材料因高长径比、电子和离子传输速率高成为材料界的研究热点。

深入研究多级结构的构筑方法、构筑过程、形成机理以及结构与功能的关系有助于拓展多级结构材料的定向构筑、拓展应用范围。本文工作分三部分,具体内容如下:一、提出利用超分子组装体做为电纺液,通过静电纺丝技术,获得具有特定功能的一维多级结构复合材料的思路。

我们选择性能迥异但却互补的两种结构基元,强韧的碳纳米管（CNT）、刚性的负电性晶态纳米纤维素（CNC）以及正电性的聚集诱导发光分子（AIE）。在聚乙烯醇（PVA）水溶液中利用静电纺丝技术得到强韧、轻质的多级结构纳米复合纤维。

相较于纯的PVP电纺纤维,复合纤维在韧性、拉伸强度、断裂伸长率以及杨氏模量上均有明显提高,增幅分别为308%、106%、104%和35%。其中,CNT通过p-p 堆叠与AIE组装,提高CNT的分散性并使其带正电荷;进而与带负电的CNC通过静电引力,形成CNT-AIE-CNC组装体;在PVA的水溶液中,CNT-AIE-CNC通过氢键与PVA组装,形成多级有序的纳米结构,促进了增强质与聚合物基质之间应力传递。

该复合纤维膜具有选择性检测硝基化合物的性能。二、选用高杨氏模量的蒙

脱土（MMT）纳米片、以及高长径比的聚醚酰亚胺（PEI）修饰的晶态纳米纤维素（PCNC）为构筑基元,通过静电相互作用形成MMT-PCNC组装体,将其分散于PVA 水溶液中,利用静电纺丝技术,得到MMT-PCNC/PVA多级复合纤维。

存在于复合纤维内部的弱相互作用使纤维拉伸性能有所提高,但强度几乎没有变化,利用戊二醛将复合纤维进行交联,使增强质与聚合物基质通过共价键桥连,增加负载转移效率,从而有效增加复合纤维的强度,同时进一步提升纤维的断裂伸长率。三、通过静电纺丝得到

TiO₂-V_xO_y复合纤维,对其进行高温煅烧,得到具有核-壳结构（单层核-壳与双层核-壳）的纤维。

我们对其形成过程提出了详细的解释,认为由于处于无定型状态的核层与晶态的壳层在受热过程中体积收缩存在差异,导致二者分离,最终纤维由实心演变成核-壳结构。“锁死”的壳层与粘弹性可流动的核层起到关键的作用。

基于此原理,可以通过调节煅烧参数如升温速率、气体氛围、加热温度等调控纤维结构。