穿戴新材料 编织大未来——东华大学纤维材料改性国家重点实验室

可穿戴智能服饰——当今时尚与科技领域的一次革命性融合,在航空航天、国防军事、智能生活、医疗健康等领域有广阔的应用前景。美国高德纳公司预测,2016年可穿戴智能服饰的市场将达到100亿美元。谷歌、三星、苹果、微软等高科技公司已竞相加入此领域,美国麻省理工学院、佐治亚理工学院、哈佛大学、斯坦福大学、欧洲Hewlett-Packard实验室等都相继在植入式柔性传感器、可穿戴能源装备等方面开展了研究工作。

凝炼学科方向 汇聚科研人才——东华大学纤维材料改性国家重点实验室

东华大学纤维材料改性国家重点实验室是我国材料和纺织领域重要的国家级科研基地，目前设有高性能纤维与复合材料、功能化纤维与低维材料、环境友好和生物纤维材料3个研究方向：其中在超高分子量聚乙烯的分子链缠结解离、高倍拉伸取向等基础研究上，攻克了高强高模量聚乙烯纤维制备关键技术和工程集成，打破了欧美技术封锁，使我国成为世界上3个拥有该项技术的国家之一，产量占全球30％；

2005新型纤维与聚合物材料国际学术会议在东华大学隆重召开

2005年10月20—21日，时逢东华大学材料科学与工程学院五十周年院庆之际，由东华大学纤维材料改性国家重点实验室主办的“2005新型纤维与聚合物材料国际学术会议”在东华大学逸夫楼隆重举行。来自海内外纤维与高分子材料领域400余位专家学者、企业高层及年轻学子等参加了会议，新闻媒体也对此投以了热切的关注。

同轴电缆用超疏水二氧化硅@石英纤维复合材料的性能研究

具有低介电常数的SiO_(2)复合材料在低介电和隔热保温材料领域有着广阔的应用前景,但SiO_(2)复合材料在实际应用中存在吸水性强、保存条件苛刻等问题。使用疏水改性剂(六甲基二硅氮烷(HMDS)、硬脂酸、十二烷基硫酸钠)对SiO_(2)@石英纤维复合材料进行改性,研究疏水改性剂类型及质量分数对复合材料疏水性能和介电性能的影响。结果表明,3%的HMDS改性复合材料的疏水改性效果最好(接触角为151.6°),保存240d后接触角最低为132.6°,200℃煅烧后复合材料的介电常数低至1.87。将疏水改性SiO_(2)@石英纤维复合材料制成同轴通信电缆,所得电缆的电压驻波比为1.48,衰减值为1.56dB,特性阻抗为48Ω。疏水改性复合材料具有优异的电缆性能,在通信电缆等领域展示出潜在的应用价值。

硅烷偶联剂改性对气相SiO_(2)电缆绝缘复合材料性能的影响

气相SiO_(2)是一种多孔的纳米材料,具有低介电常数、耐高温和耐辐射等优点,作为SiO_(2)电缆的绝缘材料在航空航天等领域得到广泛应用,但气相SiO_(2)复合材料表面存在大量硅羟基使之容易吸潮,因此研究改性剂对气相SiO_(2)复合材料介电性能的影响具有重要意义。选用3种不同的硅烷偶联剂(KH550、KH560、KH570)对气相SiO_(2)电缆绝缘复合材料进行改性,采用显微结构分析、红外光谱分析、宽频介电阻抗谱仪分析等方法研究了不同硅烷偶联剂对气相SiO_(2)电缆绝缘复合材料疏水性能以及介电性能的影响。结果表明硅烷偶联剂KH570对气相SiO_(2)电缆绝缘复合材料的改性效果最好,改性后复合材料吸潮率降低了89.95%,10MHz频率下介电常数和介电损耗角正切分别减小8.63%和31.85%,大幅度提高了气相SiO_(2)电缆绝缘复合材料的疏水性能和介电性能。

碳纤维/聚芳醚酮热塑性复合材料与环氧涂层的附着力研究

随着连续纤维增强热塑性复合材料在航空航天领域的快速发展,针对热塑性复合材料的表面涂装也变得尤为重要,因此,系统地开展了传统的环氧涂层与碳纤维增强聚芳醚酮(CF/PAEK)热塑性复合材料的附着力研究。分别研究喷砂处理、等离子体处理和喷砂处理+等离子体处理三种不同表面处理方式对复合材料表面的微观形貌、粗糙度、接触角和化学性质以及复合材料与环氧涂层间的附着强度的影响。结果表明:三种表面处理方式都能有效增加复合材料与环氧涂层附着强度。其中,通过喷砂处理+等离子体处理后的复合材料表面涂层附着强度最高,为26.6 MPa,与未处理相比提高了23.1%。同时,三种表面处理方式处理后复合材料表面涂层的耐热性能和耐液压油性能良好,保持率均高于80%。

纤维基电催化材料的结构设计及应用

【目的】一维纤维材料因为具有大比表面积、高电导率、连续的电子传输路径和优异的结构稳定性,是一种理想的电极材料。纤维材料可以作为载体来耦合金属催化剂,也可以直接用作催化活性物质;通过对纤维和催化剂形貌、结构、以及复合方式的调控,可以满足不同催化反应的需求。【研究现状】纤维基电催化材料主要包括用作催化活性的支撑性纤维和含有本征活性位点的电催化纤维;当纤维作为催化活性物质时,主要有无机纤维、杂原子掺杂碳纤维和单原子锚定纤维等结构;当纤维作为催化剂载体时,金属催化剂通过嵌入或负载等方式与纤维载体复合,进而调控纤维基电催化剂的催化性能;不同的纤维基电催化剂可以满足多种催化反应的需求。【展望】为了探索真实反应条件下活性物质的结构演变,原位实时表征技术和构建自支撑电极将是纤维基电催化剂的未来发展方向。

国家重点实验室仪器设备专项购置工作横纵协同管理模式及成效

如何合理计划各类仪器设备占比及排序、科学论证仪器设备型号、有效降低采购风险、规范安置与调试仪器设备并最终顺利开放和使用仪器设备,是高校仪器设备购置工作中的共性问题。某高校纤维材料改性国家重点实验室在为期4年的仪器设备专项购置工作中,通过横纵协同管理模式——横向协调各项目占比与排序问题,纵向解决项目购置各阶段遇到的问题——顺利完成专项购置工作,有效支撑了实验室科学研究。

环氧树脂改性聚双环戊二烯及其碳纤维复合材料的制备与表征

本文在双环戊二烯单体/Grubbs二代催化剂体系中加入双酚A型环氧树脂配套甲基纳迪克酸酐固化剂,通过逐步升温聚合得到环氧树脂/聚双环戊二烯(PDCPD)共混物。利用接触角测量仪、差示扫描量热仪(DSC)、红外光谱仪(FT-IR)、力学试验机和扫描电镜(SEM)对环氧树脂改性PDCPD进行了表征。研究结果表明:加入10 phr环氧树脂的DCPD单体与碳纤维织物表面接触角由83.2°降低至22.6°,润湿性得到明显改善;环氧树脂改性PDCPD相比于纯PDCPD,玻璃化转变温度由124.7℃提升至133.2℃;改性PDCPD红外光谱中未发现环氧官能团(913 cm^(-1)),说明混合体系中环氧树脂反应完全;力学性能测试结果表明改性后PDCPD弯曲强度提升13.3%,断裂韧性降低11.0%,微观结构显示环氧树脂固化物呈直径小于2μm的微球均匀分布在PDCPD内部;利用湿法模压制备的改性PDCPD/碳纤维复合材料层间剪切强度由8.2 MPa提升至15.1 MPa,断面结构显示环氧树脂的加入有效改善了PDCPD对碳纤维的附着力。

骨组织工程中的碳纤维材料

归纳了聚合物支架材料在提高其力学性能方面的一些研究工作,并综述了碳纤维材料在骨组织工程上应用的进展。分析表明,骨组织工程是修复骨缺损的有效方法之一,而碳纤维材料的结构性能优势使其成为提高组织工程支架性能的首选材料之一。在提高聚合物支架力学性能的同时,进一步提高材料的生物活性和促进骨的修复是目前研究的重点和难点。指出可通过对碳纤维材料的改性、有序排列等手段来进一步提高碳纤维材料的作用。

基于碳材料的多维度柔性应变/压力传感器的研究进展

近年来,基于碳材料的柔性应变/压力传感器发展迅速,在临床疾病诊断、健康监测、电子皮肤和软机器人等智能可穿戴领域内具有广阔的应用前景。本文综述了基于碳纳米材料和生物衍生碳材料的柔性应变/压力传感器的制备方法和性能特征。根据碳材料的维度和结构特点,可将传感器划分为三大类型:一维纤维/纱线型、二维薄膜/织物型和三维多孔/网络型。本文还重点评述了不同维度碳基柔性传感器的研究进展和存在的问题。未来柔性传感器的发展重点将聚焦于新型结构设计、综合性能提升和多模式功能化应用。

聚乳酸/有机磷共混纤维阻燃改性及性能研究

针对聚乳酸(PLA)易燃烧的缺点,选择高效绿色脂肪族有机磷(OP)为阻燃剂,通过熔融共混与熔纺成形技术制备PLA-OP复合材料及纤维,全面分析了OP对PLA-OP复合材料热稳定性能、阻燃性能、阻燃机制及力学性能的影响规律,结果显示:OP与PLA具有良好的相容性,且PLA-OP复合材料热稳定性良好,完全满足高温熔融加工要求;同时,OP可显著提升PLA的阻燃性能,当OP质量分数为4%时,材料垂直燃烧等级由纯PLA的NR等级提升至V-1等级,极限氧指数由纯PLA的22.6%提升至29.1%。由热失重-红外联用、扫描电镜与拉曼光谱分析可知:OP兼具气相阻燃与凝聚相阻燃作用,其在高温燃烧过程中起到催化成炭、捕捉高活性自由基、降低挥发性可燃物浓度等作用,最终有效提升PLA阻燃性能。此外,PLA-4OP熔纺纤维的断裂强度为3.6cN/dtex,满足绝大部分终端使用要求,这表明其具有良好的应用前景。

PPTA短切纤维/共聚改性PPTA沉析纤维复合纸的制备及其性能研究

采用共聚策略,在聚对苯二甲酰对苯二胺(PPTA)分子链中引入含有间位结构的间苯二胺(MPD),通过低温溶液缩聚,制备了共聚改性PPTA (MPPTA),利用沉析法得到MPPTA沉析纤维(pMPPTA)。将pMPPTA与PPTA短切纤维(cPPTA)混合后,通过湿法抄造和热压成形制备cPPTA/pMPPTA复合纸,探究了纸张定量及pMPPTA含量对cPPTA/pMPPTA复合纸性能的影响。结果表明,纸张定量及pMPPTA含量对复合纸微观结构影响显著。当纸张定量为90 g/m^(2)及pMPPTA质量分数为60%时,cPPTA/pMPPTA复合纸的力学性能和介电性能较PPTA原纸显著提高,拉伸强度达32.27 MPa。

纺织结构碳纤维增强聚醚醚酮基复合材料的制备及界面改性

采用热压成型法制备纺织结构碳纤维增强聚醚醚酮(CFF/PEEK)航空热塑性复合材料。通过对碳纤维(CF)进行去浆、活化,及采用磺化聚醚醚酮(SPEEK)进行表面涂层,显著提高了CFF/PEEK复合材料的层间剪切强度。讨论了热压温度、压力等工艺参数对材料综合力学性能的影响规律,确定优化工艺条件,制备的复合材料拉伸强度和弯曲强度分别达到714.29 MPa和955.84 MPa。借助扫描、金相显微镜等观察手段,发现经过界面改性处理后,复合材料断裂发生在基体内部而非界面处,基体与增强体浸润性和结合性良好。

亚麻纤维增强立构聚乳酸复合材料的制备及界面改性

采用熔融共混及注塑成型法制得立构聚乳酸(sc-PLA)及亚麻纤维/立构聚乳酸(Flax/sc-PLA)复合材料,并通过差示扫描量热分析、动态力学分析、热重分析、扫描电镜、维卡软化温度及力学性能测试等方法研究了亚麻纤维增强及偶联剂六亚甲基二异氰酸酯(HMDI)界面改性对Flax/sc-PLA复合材料结构与性能的影响。结果表明:亚麻纤维的加入可有效提高sc-PLA的立构结晶度、耐热性以及力学性能,Flax/sc-PLA复合材料的立构结晶度由17.3%提高到24.9%,维卡软化温度由161.1℃升至195.7℃,拉伸强度也从57.4 MPa提高到62.5 MPa。通过HMDI界面改性可有效改善复合材料的界面相容性,使复合材料的拉伸强度进一步提高到70.4 MPa。此外,HMDI改性还提高了复合材料的热稳定性,其初始降解温度和动态储能模量G'均比未改性复合材料显著提高。

自成核行为在CF/PPS复合材料中的差异性与普适性

以半结晶高分子为基体的碳纤维增强热塑性复合材料,其基体的结晶行为将受到碳纤维表面性质与热历史的共同影响。当这种材料在经历反复加热冷却的热循环过程时,基体会产生自成核行为,其结晶过程变得更加复杂。通过三种T300级碳纤维分别制备了碳纤维增强聚苯硫醚(CF/PPS)复合材料,并探究了二次熔融温度与CF/PPS复合材料结晶行为的关系,揭示了不同碳纤维表面性质对CF/PPS复合材料自成核行为的影响。在此基础上阐明了CF/PPS复合材料基体自成核与CF异相成核的竞争关系。最后,通过冲压成型制得具有自成核行为的CF/PPS复合材料角片,验证了自成核对于CF/PPS复合材料二次热成型技术的有效性与重要性。

静电纺纳米纤维材料在环境领域中的应用研究进展

近年来,通过静电纺丝技术制备纳米纤维材料已成为材料科学领域最重要的学术与技术活动之一。静电纺丝以其制造装置简单、纺丝成本低廉、可纺物质种类繁多、工艺可控等优点,已成为有效制备纳米纤维材料的主要途径之一。目前,利用静电纺丝技术不仅能实现多种纳米纤维材料包括聚合物、无机物、聚合物/聚合物复合物、聚合物/无机物复合物以及无机物/无机物复合物等的构筑,而且可以实现纤维多级粗糙结构、堆积密度、纤维直径、比表面积、连通性等结构特性的精细调控。各种各样的静电纺纳米纤维材料经过发展、研究和商业化,已被广泛应用于环境领域的各个方面,为许多环保难题诸如有害物质监控、污水处理、水体浮油处理等的解决提供了新的方向。结合东华大学纤维材料改性国家重点实验室近期在静电纺纳米纤维领域的研究成果,简要介绍了静电纺纤维材料的研究背景、制备技术及其在环境领域中的应用研究进展。

可生物降解型纤维材料

主要介绍了近年来可生物降解材料合成技术的新进展及其在纤维材料上的应用 ,同时 ,介绍了可降解纤维材料如纤维素纤维、甲壳素类纤维、聚酯纤维、聚酰胺纤维 ,尤其对淀粉纤维的发展作了较为详细的论述 ,指出淀粉纤维的应用领域已获得了较大的拓展。由于淀粉可再生 ,可降解 ,成本低 ,淀粉纤维未来的应用前景十分广阔。

酚酞型聚芳醚酮与硅烷偶联剂协同改性CF/PPS复合材料

本文使用不同浓度的KH570溶液和0.5wt%的PEK-C溶液依次对碳纤维进行改性处理,并通过模压成型制备了CF/PPS复合材料,使用X射线光电子能谱仪(XPS)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、万能材料试验机等手段表征改性后的CF/PPS复合材料。结果表明,使用2wt%的KH570溶液和0.5wt%的PEK-C溶液依次处理碳纤维后,复合材料的界面性能和弯曲性能大幅提升,相较于未经改性处理的CF/PPS复合材料,其弯曲强度由709 MPa提高至953 MPa,提升约34.4%,ILSS则由23.8 MPa提高至53.3 MPa,提升约123.9%。

新型甲基功能化共价有机框架材料的制备及二氧化碳吸附性能

为提高共价有机框架(COFs)材料的结晶度,从而提高其在气体吸附领域的应用,使用2,5-二甲基对苯二甲酰肼(Th-(Me)_(2))与2,4,6-三(4-醛基苯基)-1,3,5-三嗪(TFPT)作为构筑单元,采用溶剂热法成功合成新型甲基功能化COF材料(COF-Th-Me)。利用粉末X射线衍射、红外光谱、固体核磁共振碳谱、氮气吸附-脱附和热重分析等方法,结合理论模拟对COF-Th-Me结构性质进行研究,并对其二氧化碳吸附性能进行分析。结果表明,与无甲基功能化COF(COF-Th)相比,COF-Th-Me的结晶度明显提高,结构表现为AA堆积结构(加权图形方差因子R_(wp)=2.00%,图形方差因子R_(p)=1.53%),具有较高的热稳定性。COF-Th-Me在273K和0.1MPa条件下,对二氧化碳气体的吸附量达到了27.6 cm^(3)/g,由此可知其在气体吸附领域具有潜在应用价值。