PAN/插層高嶺石復(fù)合材料制備及靜電紡絲性能

侯桂香，謝建強(qiáng)，姚少巍，張翠云

(華北理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 河北省無(wú)機(jī)非金屬材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 唐山 063009)

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PAN/插層高嶺石復(fù)合材料制備及靜電紡絲性能

侯桂香，謝建強(qiáng)，姚少巍，張翠云

(華北理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 河北省無(wú)機(jī)非金屬材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 唐山 063009)

以二甲基亞砜為前驅(qū)體制備插層高嶺石(K-DMSO)，通過(guò)原位聚合制備聚丙烯腈(PAN)與K-DMSO 的復(fù)合物，利用靜電紡絲技術(shù)制備PAN/K-DMSO復(fù)合纖維膜。采用XRD，F(xiàn)TIR，TEM和TGA研究PAN/K-DMSO復(fù)合物的微觀形態(tài)和熱性能，并采用SEM，POM和拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)其纖維膜的形貌和拉伸強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試表征。結(jié)果表明：PAN/K-DMSO中含有高嶺石的內(nèi)外羥基峰，表征層間距的d001值隨PAN進(jìn)入高嶺石的層間而增大，部分高嶺石被剝離形成厚度為2～5nm的片層結(jié)構(gòu)分散在PAN基體中。K-DMSO的加入使PAN的耐熱性提高，PAN纖維膜的直徑減小，拉伸強(qiáng)度增加。PAN與K-DMSO的質(zhì)量比為8∶1時(shí)，PAN/K-DMSO纖維膜的拉伸強(qiáng)度與PAN相比，在未處理，冷壓和熱處理的情況下分別提高了0.92，1.73MPa和1.96MPa。

聚丙烯腈；插層高嶺石；原位聚合；靜電紡絲

高嶺石[1,2]是一類(lèi)含水的鋁硅酸鹽黏土礦物，其層間具有某種活性，適宜作為化學(xué)反應(yīng)的場(chǎng)所。但高嶺石層間作用力較強(qiáng)，可交換的陽(yáng)離子少，無(wú)膨脹性，所以與其同系的蒙脫土相比，較難與有機(jī)物發(fā)生插層反應(yīng)。到目前為止，聚合物單體或聚合物都不能直接插入到高嶺石層間，僅有醋酸鉀、尿素、肼、二甲基亞砜[3-6]等少數(shù)化合物可以直接插入高嶺石層間。然而高嶺石的晶格結(jié)構(gòu)較蒙脫土更為完美，晶格中雜質(zhì)更少，層間很少存在吸附水和可交換離子，因而具有更好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，有利于制備得到高性能的無(wú)機(jī)/有機(jī)納米復(fù)合材料，此外，層間的非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)又使插層復(fù)合物能作為性能優(yōu)良的功能材料而得以應(yīng)用[7,8]。因此開(kāi)展高嶺石有機(jī)插層納米復(fù)合材料的研究具有非常重大的現(xiàn)實(shí)意義。

將單體分子通過(guò)取代置換高嶺石層間的極性小分子實(shí)現(xiàn)二次插層，并在原位發(fā)生聚合形成所謂的“嵌入納米復(fù)合材料”或“層離納米復(fù)合材料”已成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。Yin 等[9]以DMSO和甲醇為前驅(qū)體通過(guò)原位聚合成功制備了聚二甲基苯胺的插層復(fù)合物；Vahabi等[10]研究了聚甲基丙烯酸甲酯的插層復(fù)合物的熱降解和阻燃性；馮莉等[11]利用超聲法原位聚合制備了不飽和聚酯樹(shù)脂/高嶺石納米復(fù)合材料；Sun等[12]以原位乳液聚合的方式制備了聚丙烯腈的插層復(fù)合物。其中丙烯腈作為重要的纖維及目前唯一可制得連續(xù)納米級(jí)碳纖維的原絲，對(duì)聚丙烯腈進(jìn)行改性的研究[13-15]，特別是通過(guò)靜電紡絲方法制備無(wú)機(jī)物摻雜的聚丙烯腈納米纖維的研究引起了人們的極大興趣。本實(shí)驗(yàn)以二甲基亞砜插層高嶺石為前驅(qū)體，用過(guò)硫酸銨為引發(fā)劑, 使丙烯腈單體在插層高嶺石的層間進(jìn)行原位聚合，制備聚丙烯腈/高嶺石插層納米復(fù)合材料，通過(guò)X射線(xiàn)衍射、傅里葉變換紅外光譜、透射電鏡和熱重分析對(duì)聚丙烯腈/高嶺石插層復(fù)合材料進(jìn)行表征與分析，并對(duì)該復(fù)合材料的靜電紡絲性能進(jìn)行了研究。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 主要原料

丙烯腈，N,N-二甲基甲酰胺(DMF)，丙酮，甲醇，分析純，由天津市科匯達(dá)化工有限公司提供；過(guò)硫酸銨，亞硫酸鈉，分析純，由天津市大茂化學(xué)試劑廠(chǎng)提供；高嶺石，平均粒度為7.158μm，粒度中值為5.035μm，由蘇州蘇秀高嶺石廠(chǎng)提供。

1.2 PAN/K-DMSO復(fù)合物的制備

1.2.1 DMSO插層高嶺石(K-DMSO)的制備

稱(chēng)取10g高嶺石懸浮于100mL二甲基亞砜(DMSO)和9mL蒸餾水的混合液中，在120℃下磁力攪拌，冷凝回流反應(yīng)3h，抽濾，用大量無(wú)水乙醇洗滌除去復(fù)合物外表面多余的DMSO，50℃下烘干8h，得到白色粉末狀樣品K-DMSO。

1.2.2 PAN/K-DMSO插層復(fù)合物的制備

在裝有攪拌器、溫度計(jì)、氮?dú)夤艿?50mL的四口燒瓶中加入94mL沸騰過(guò)的蒸餾水及6g丙烯腈，通入氮?dú)猓?min后加入0.88g過(guò)硫酸銨及0.07g亞硫酸鈉，維持反應(yīng)溫度為70～80℃，45min反應(yīng)完畢，取出沉淀過(guò)濾，用水洗后再用甲醇洗，最后放入40℃真空干燥箱中烘干恒重，得到白色粉末狀樣品聚丙烯腈。依照同樣的方法，按質(zhì)量比(下同)K-DMSO∶AN為10∶1，9∶1和8∶1制備不同K-DMSO含量的PAN/K-DMSO插層復(fù)合物。

1.3 靜電紡絲纖維膜的制備

以體積比為7∶3的DMF與丙酮為溶劑，配置濃度為0.125g/mL的PAN/K-DMSO復(fù)合物紡絲液，利用DW-P503-4ACCD型高壓電源和78-9100C型注射泵自制靜電紡絲裝置進(jìn)行紡絲。電紡條件：電壓15kV，接收距離15cm，速率1.2mL/h。

1.4 測(cè)試與表征

用Nicolet-380型傅里葉變換紅外光譜儀對(duì)K-DMSO、PAN與PAN/K-DMSO復(fù)合物進(jìn)行紅外光譜分析；采用D/MAX-6000型X射線(xiàn)衍射儀對(duì)高嶺石、K-DMSO與PAN/K-DMSO進(jìn)行X射線(xiàn)分析，測(cè)試條件：Cu靶、Kα射線(xiàn)，管電壓與管電流分別為40kV和100mA,λ=0.154056nm，測(cè)試范圍：2θ=5～40°；采用STA449C型熱分析儀對(duì)PAN及其插層復(fù)合物進(jìn)行熱性能分析，升溫速率10℃/min，30～800℃，氮?dú)鈿夥?；采用JEM-2010透射電子顯微鏡觀察插層高嶺石的形貌；采用S-4800型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡和XPL-2型光學(xué)顯微鏡觀察纖維膜形貌；采用AGS-X型萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)測(cè)試?yán)w維膜的拉伸強(qiáng)度，拉伸速率為5mm/min。

2 結(jié)果與分析

2.1 微觀結(jié)構(gòu)分析

圖1為K-DMSO(曲線(xiàn)1)、PAN(曲線(xiàn)2)和PAN/K-DMSO(曲線(xiàn)3)的紅外光譜圖。曲線(xiàn)1中的吸收峰3695，3652cm-1和3621cm-1屬于高嶺石的羥基伸縮振動(dòng)峰，其中3621cm-1歸屬于高嶺石片層的內(nèi)羥基伸縮振動(dòng)峰。曲線(xiàn)2中，2939cm-1處為PAN亞甲基的特征吸收峰，在PAN/K-DMSO曲線(xiàn)中紅移至2934cm-1處；2250cm-1為PAN碳氮鍵伸縮振動(dòng)。1451cm-1為PAN中亞甲基的不對(duì)稱(chēng)彎曲振動(dòng)峰，這些吸收峰在曲線(xiàn)3中同樣存在。在高嶺石層間改性過(guò)程中，外羥基受到環(huán)境影響會(huì)使伸縮峰產(chǎn)生偏移，而內(nèi)羥基受到影響較小，一般不產(chǎn)生偏移，因此3621cm-1峰可以作為高嶺石存在的特征峰，在不含高嶺石的PAN(曲線(xiàn)2)紅外譜圖中，沒(méi)有任何的羥基伸縮振動(dòng)峰，在PAN/K-DMSO納米復(fù)合材料中，不僅含有內(nèi)羥基的3621cm-1峰，而且還有外羥基的3695cm-1峰，但與高嶺石相比較強(qiáng)度都有所降低。而其他兩個(gè)外羥基的伸縮振動(dòng)峰強(qiáng)度降低或者偏移而淹沒(méi)于3621cm-1峰內(nèi)。

圖1 K-DMSO，PAN與PAN/K-DMSO(9∶1)復(fù)合物紅外光譜圖Fig.1 FT-IR spectra of K-DMSO, PAN and PAN/K-DMSO(9∶1)

圖2是高嶺石、K-DMSO和PAN/K-DMSO(9∶1)復(fù)合物的X射線(xiàn)衍射譜。從圖2可以看出，高嶺石(曲線(xiàn)1)的d001峰的2θ值出現(xiàn)在12.394°，二甲基亞砜插層高嶺石(曲線(xiàn)2)的d001峰的2θ值出現(xiàn)在7.837°，根據(jù)Bragg方程可得，高嶺石的d001值為0.713nm，二甲基亞砜插層高嶺石的d001值為1.127nm，比原高嶺石的層間距增大了0.414nm，根據(jù)插層前后d001峰強(qiáng)度的相對(duì)變化，計(jì)算可得最大插層率為71.3%。聚丙烯腈與插層高嶺石的復(fù)合物(曲線(xiàn)

3)在17.0°處出現(xiàn)了聚丙烯腈d100晶面的特征衍射峰，復(fù)合物中代表高嶺石片層結(jié)構(gòu)的d001晶面衍射峰成為彌散峰，表明經(jīng)過(guò)丙烯腈原位聚合的插層反應(yīng)后，聚丙烯腈分子貫穿于高嶺石片層結(jié)構(gòu)中，進(jìn)一步增加了高嶺石的片層間距，甚至使高嶺石達(dá)到部分剝離結(jié)構(gòu)。

圖2 不同樣品的XRD圖Fig.2 X-ray diffraction spectra of different samples

這也可以通過(guò)PAN/K-DMSO(9∶1)的透射電鏡圖片(見(jiàn)圖3)得到證明。從圖3來(lái)看，高嶺石已經(jīng)被部分剝離分散于PAN高聚物的基體中，圖中黑色片狀物和條狀物為高嶺石的片層，其中有一些高嶺石還保持原來(lái)的片層取向(圖3(a))，但大多數(shù)已經(jīng)變?yōu)闊o(wú)序的結(jié)構(gòu)。從圖3(b)中還可以看出，剝離的高嶺石厚度約為2～5nm。結(jié)合XRD譜圖分析，結(jié)果表明PAN的高分子鏈已經(jīng)進(jìn)入了高嶺石的層間, 并使之剝離分散于PAN基體中。

圖3 樣品的TEM圖片 (a)PAN/K-DMSO (9∶1)；(b)圖3(a)的放大Fig.3 TEM images of the sample (a)PAN/K-DMSO (9∶1);(b)magnification of fig.3(a)

圖4 PAN與PAN/K-DMSO(8∶1)的熱分析曲線(xiàn) Fig.4 TG curves of PAN and PAN/K-DMSO(8∶1)

2.2 PAN/插層高嶺石復(fù)合材料熱性能分析

圖4為PAN與PAN/K-DMSO(8∶1)的熱分析曲線(xiàn)，由圖4可知，聚丙烯腈的起始熱失重溫度為300℃，在300～460℃之間，失重急劇增加，這是因?yàn)榫郾╇娲蠓肿由系牟伙柡碗婊l(fā)生以加成環(huán)化為主的反應(yīng)，由線(xiàn)性分子鏈轉(zhuǎn)化為梯形結(jié)構(gòu)，分子鏈中的N，H，O等元素開(kāi)始脫除。聚合物的質(zhì)量不斷減小。因此，TG曲線(xiàn)急劇下降。460℃之后，主要以聚丙烯腈的分解為主，N，H，O等元素繼續(xù)脫除。PAN/插層高嶺石復(fù)合材料在240℃時(shí)開(kāi)始出現(xiàn)失重，305℃時(shí)失重率為3%。這是殘余的插層劑二甲基亞砜隨溫度升高脫除造成的。600℃時(shí)PAN和PAN/K-DMSO復(fù)合材料失重率分別為51%和45%，因此在高溫時(shí)PAN/K-DMSO復(fù)合材料的耐熱性比PAN好。這是因?yàn)楦邘X石的片層結(jié)構(gòu)有很好的阻隔作用，使熱降解的自由基難以擴(kuò)散，阻止了氧氣和熱量向復(fù)合材料內(nèi)部傳遞，同時(shí)，高嶺石的片層結(jié)構(gòu)部分限制了PAN大分子的自由熱運(yùn)動(dòng)，抑制和延緩了熱分解作用的發(fā)生，從而提高了復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性能。

圖5 纖維膜的偏光顯微鏡圖片(a)PAN;(b)PAN/K-DMSO(10∶1);(c)PAN/K-DMSO(9∶1);(d)PAN/K-DMSO(8∶1)Fig.5 Optical microscope photographs of fiber membranes(a)PAN;(b)PAN/K-DMSO(10∶1);(c)PAN/K-DMSO(9∶1);(d)PAN/K-DMSO(8∶1)

2.3 PAN/K-DMSO纖維膜形貌分析

圖5為PAN/K-DMSO的插層復(fù)合物進(jìn)行靜電紡絲形成纖維膜的偏光顯微鏡圖片。從圖5可以看出高嶺石的加入，使PAN纖維直徑變小。這是因?yàn)殡S著插層高嶺石含量的增多，基體PAN的含量減少，分子鏈間纏結(jié)降低。液滴表面勢(shì)能減小，紡絲時(shí)液滴也就易被靜電作用分裂，所形成的纖維直徑較細(xì)。在質(zhì)量比PAN/K-DMSO為10∶1和9∶1時(shí)，可紡性良好。而PAN/K-DMSO為8∶1時(shí)，纖維膜中出現(xiàn)了少量高嶺石顆粒，這可能是因?yàn)榧徑z時(shí)高嶺石與聚丙烯腈受電場(chǎng)力有不同的運(yùn)動(dòng)能力，在高嶺石含量較高時(shí)出現(xiàn)了少量與聚丙烯腈分離的現(xiàn)象。

對(duì)PAN和PAN/K-DMSO纖維膜噴金后通過(guò)掃描電鏡觀察表面形貌如圖6所示。從圖6可以看出含有K-DMSO的纖維直徑比純PAN的小，與偏光顯微鏡所示結(jié)果相符合，PAN的平均直徑約為600nm，PAN/K-DMSO(9∶1)的平均直徑約為350nm。由于高嶺石在紡絲時(shí)與聚丙烯腈受電場(chǎng)力有不同的運(yùn)動(dòng)能力，從而出現(xiàn)裂分不均的情況，因此PAN/K-DMSO纖維直徑的分布也出現(xiàn)粗細(xì)不均的情況。

2.4 PAN/K-DMSO電紡膜力學(xué)性能

圖7為PAN經(jīng)過(guò)50℃熱壓，室溫冷壓處理和未處理的電紡膜的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)。表1為不同纖維膜的拉伸強(qiáng)度數(shù)據(jù)。由圖7可知：從未處理，冷壓處理到50℃熱壓處理纖維的最大應(yīng)力值明顯增大。經(jīng)冷、熱壓處理后，電紡膜纖維間變得緊密，分子間作用力增大，拉伸時(shí)纖維不易形變，導(dǎo)致所承受的拉伸應(yīng)力升高；熱壓處理使得纖維分子在高溫下通過(guò)鏈段運(yùn)動(dòng)調(diào)整構(gòu)象，消除靜電紡絲時(shí)的內(nèi)應(yīng)力，使紡絲膜更加緊實(shí)，導(dǎo)致所能承受的拉伸應(yīng)力進(jìn)一步增加。

圖6 不同纖維膜掃描電鏡圖 (a)PAN;(b)PAN/K-DMSO(9∶1)Fig.6 SEM images of different fiber membranes (a)PAN;(b)PAN/K-DMSO(9∶1)

圖7 PAN電紡膜應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)Fig.7 Tensile stress-strain curves of PAN membranes

PAN∶K?DMSO(massratio)Thermaltreatment/MPaColdtreatment/MPaUntreated/MPa8∶12．171．911．099∶11．431．280．6210∶11．340．530．32PAN0．210．180．17

從表1可以看出纖維膜的拉伸強(qiáng)度隨著插層高嶺石含量的增加而增大，這是因?yàn)橹苽渚郾╇?插層高嶺石復(fù)合物時(shí)，丙烯腈分子擴(kuò)散至增大了的片層結(jié)構(gòu)中，通過(guò)原位聚合的方式形成了聚丙烯腈在高嶺石片層間貫穿的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，而分散在聚丙烯腈分子鏈間的片層高嶺石起到了固定纖維膜的類(lèi)似物理交聯(lián)點(diǎn)的作用，在受力時(shí)，無(wú)機(jī)材料高嶺石本身強(qiáng)度較高，而且納米片狀結(jié)構(gòu)還可以產(chǎn)生界面效應(yīng)，有利于應(yīng)力的傳播與分散，所以能夠增加纖維膜的拉伸強(qiáng)度。

3 結(jié)論

(1)用二甲基亞砜對(duì)高嶺石進(jìn)行有機(jī)化改性，層間距增大了0.414nm，插層率為71.3%。通過(guò)原位聚合使聚丙烯腈大分子插入到了高嶺石片層結(jié)構(gòu)之間， FTIR，XRD和TEM分析表明PAN/K-DMSO插層納米復(fù)合材料已經(jīng)形成，并有部分高嶺石剝離形成厚度為2～5nm的片層結(jié)構(gòu)。

(2) K-DMSO的加入使PAN的熱穩(wěn)定性提高，600℃時(shí)PAN/K-DMSO(8∶1)復(fù)合材料的質(zhì)量保留率比純PAN增加了6%。

(3)在本實(shí)驗(yàn)配比范圍內(nèi)PAN/K-DMSO具有良好的可紡性。當(dāng)PAN/K-DMSO質(zhì)量比為8∶1時(shí)，纖維膜中出現(xiàn)微量高嶺石顆粒。纖維直徑隨著高嶺石含量增加而減小，K-DMSO的加入使PAN纖維膜的拉伸強(qiáng)度提高。

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Preparation and Electrostatic Spinning Performance of Polyacrylonitrile/Intercalated Kaolinite Nnanocomposite

HOU Gui-xiang,XIE Jian-qiang,YAO Shao-wei,ZHANG Cui-yun

(Hebei Province Key Laboratory of Inorganic Nonmetallic Materials,College of Materials Science and Engineering,North China University of Science and Technology,Tangshan 063009,Hebei,China)

Intercalated kaolin was prepared with two dimethyl sulfoxide (DMSO) as precursor, polyacrylonitrile(PAN)/K-DMSO nanocomposites was prepared byinsitupolymerization with PAN and intercalated kaolin, and the fiber membranes of PAN/K-DMSO composite were prepared through electrostatic spinning technology. The microstructure and thermal properties of intercalation composites PAN/K-DMSO were studied by using XRD, FTIR, TEM and TGA. The micro-morphology and tensile strength of fiber membranes were characterized by SEM, POM and tensile testing machine. The results show that PAN/K-DMSO containing hydroxyl group peak which belong to the kaolin. Thed001layer spacing value of kaolinite increases with PAN into interlayer, and part of kaolinite is peeled and forms lamellar structure with thickness of 2～5nm dispersed in a polymer matrix. The heat resistance of PAN/K-DMSO composite is increased with the addition of K-DMSO.The diameter of PAN fiber membranes decreases and the tensile strength increases with the increase of K-DMSO.When the mass ratio of the PAN and K-DMSO is 8∶1,the tensile strength is increased by 0.92，1.73MPa and 1.96MPa in untreated, cold pressing and heat treatment conditions, respectively,when compared with PAN.

polyacrylonitrile；intercalated kaolinite；insitupolymerization；electrospinning

10.11868/j.issn.1001-4381.2015.10.008

TQ342+.31

A

1001-4381(2015)10-0049-06

河北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(B2013209248)；唐山市科技計(jì)劃項(xiàng)目(14130273a)

2014-05-27;

2014-11-06

侯桂香(1981-)，女，講師，碩士，主要從事聚合物改性方面研究，聯(lián)系地址：河北省唐山市新華西道46號(hào)華北理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院(063009)，E-mail:hougx@heuu.edu.cn