纳米纤维素制备及定向排列研究进展

随着纳米纤维素材料的应用越来越广泛,研究发现有纳米纤维素复合材料可以改善其整体性能且成本低来源广泛。采用不同的方法制备纳米纤维素材料如纳米纤维素晶体(CNC),微晶纤维素(MCC),纳米纤维素(NFC),细菌纳米纤维素(BNC)等材料,借助于机械拉伸,纺丝法、电场、磁场等方法用做制备定向排列高取向度,高性能,高强度和刚度等纳米纤维素材料,应用于纺织业,医疗行业,光学器件等领域。上述对方法和材料进行简要讨论,总结材料方法应用特性场合。

定向排列PLA/芥酸酰胺超细纤维材料的熔喷制备及其贴肤特性

为提升聚乳酸(PLA)超细纤维材料的柔软贴肤性,以PLA、聚乙二醇(PEG)和芥酸酰胺(Era)为原料,采用共混熔喷的原位牵伸工艺获得一种定向排列PLA/PEG@Era超细纤维材料,探究了不同牵伸风压(P_(Da))和接收距离(D_(CD))对其柔软性、透气性等贴肤性的影响。结果表明,当Era质量分数为2.0%,共混聚合物冷结晶峰温度为93.20℃,熔融峰温度为140.52℃,表明Era可以促进PLA大分子链运动。所制备PLA/PEG@Era超细纤维材料样品的纤维取向角在-20°~20°范围内占比为54.07%,表现为高定向排列结构;P_(Da)和D_(CD)对纤维细度、孔隙率和力学性能有显著影响,随着P_(Da)增大到0.54 kPa时,纤维细度从2.70μm减小到1.10μm,纵向断裂强力从15.94 N增大到22.03 N;随着D_(CD)增大到32 cm时,孔隙率从87.21%增大到93.24%,纵向断裂强力从24.40 N减小到16.52 N。受益于定向排列PLA/PEG@Era超细纤维材料所具有的大孔隙结构,样品纵向柔软力值分布在0.12~0.62 N,透气率分布在168.46~567.06mm/s,水蒸气透湿率分布在1 630.27~2 463.36 g/(m^(2)·24 h)。同时,所构建透气率和水蒸气透湿率二次回归方程的置信度分别为0.95和0.94,可用于PLA/PEG@Era超细纤维材料通透性能的研究。

高定向排列熔喷非织造材料H-O-M柔软性评价

为了准确评价高定向排列熔喷非织造材料柔软性能,提高其在多个领域的应用潜力。利用Handle-OMeter(H-O-M)柔软性测试法获得样品不同纤维排列方向的力值-位移曲线,对曲线进行分析后得到关于样品力学特性特征值,并建立柔软得分计算公式,获得样品H-O-M柔软性评价得分。结果表明:样品纵横向柔软性得分具有明显差异,柔软性得分最大差值为37.971,说明纤维排列对样品柔软性能影响较大。最后,将样品的HO-M柔软性评价得分结果与Phabr-Ometer柔软测试得分和主观评价得分进行比较分析,说明三种柔软性测试方法结果规律性一致,也期望该方法为高定向排列熔喷非织造材料的柔软性评价提供新的思路。

磁场中Bi-Mn合金中MnBi相定向排列组织的形成规律和机制

研究了 Bi- Mn合金从固液两相区开始凝固 ,合金中 Mn Bi相在磁场中形成定向排列组织的临界条件及其变化规律。实验研究表明 ,Bi- Mn合金中 Mn Bi相在磁场中的定向排列能够迅速形成 ;Mn Bi相形成定向排列组织所需的临界温度随外磁场强度的增大而降低 ;恒温温度相同时 ,6 % Mn合金形成定向排列组织所需的临界磁场强度高于 3%Mn合金。在临界值以上 ,定向排列因子Γ随恒温温度的升高和磁场磁感应强度的增强而增大。理论分析结合实验研究表明 ,合金中 Mn Bi晶体在磁场中取向的机制主要是旋转取向 ,晶体取向驱动力主要是晶体具有磁各向异性 ,在磁场中磁化过程中所受的磁力矩 。

静电纺丝法制备定向排列的铁氧体纳米纤维

以聚乙烯吡咯烷酮(PVP)和金属硝酸盐为原料,采用改进的静电纺丝法制备了直径均匀、表面光滑、定向排列的Co0.8Zn0.2Fe2O4/PVP纳米纤维前驱体,经热处理后得到定向排列的铁氧体纳米纤维.对前驱体纤维的热分解过程及Co0.8Zn0.2Fe2O4(CZFO)的结构、物相及形貌进行了表征.结果表明,在空气中经550～950℃热处理3 h后均得到纯相、结晶良好的尖晶石型钴锌铁氧体;在2000 r/min转速下收集的复合纤维形貌最佳,直径约300 nm;经750℃热处理后纤维直径约为70 nm,室温下测得饱和磁化强度为66.1 A.m2/kg,矫顽力达到最大值6.6 A/m,表明钴锌尖晶石型铁氧体单畴临界尺寸约为44 nm.与CoFe2O4相比,CZFO的饱和磁化强度升高,矫顽力下降,并且CZFO的纤维与粉末的磁特性有明显的区别.

磁场对Bi-Mn合金两相区中MnBi相定向排列的影响

对不同成分Bi Mn合金在液固两相区和凝固过程中加磁场 ,考察磁场的磁感应强度和加热温度对合金中MnBi相的影响。结果发现 ,MnBi相沿磁场方向定向排列并且聚合长大 ,形成规则的棒状凝固组织。Bi Mn合金中MnBi相在磁感应强度为 0 .1T的磁场中就能够明显地沿磁场方向排列 ,MnBi相定向排列因子Γ随磁感应强度的增大和加热温度的升高而提高。在相同强度的磁场中 ,含Mn 6 % (质量分数 )的合金中 ,MnBi相定向排列所需的加热温度高于含Mn

反复拉伸法制备单壁碳纳米管定向排列的SWCNT／PMMA复合材料

采用反复机械拉伸法制备了单壁碳纳米管(SWCNTs)均匀分散且定向排列的SWCNT/聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)复合材料。将半干状态的SWCNT/PMMA复合体沿同一方向反复拉伸100次,每次的拉伸比为50,每次拉伸完以后,将聚合物沿拉伸的方向反复重叠。SEM,偏振拉曼光谱分析均表明SWCNTs沿拉伸方向排列。电学与力学测试结果表明:与PMMA相比,复合材料的电导率、弹性模量、拉伸强度和延伸率均得到明显提高,并表现出显著各向异性,复合材料沿拉伸方向的电学和力学性能显著高于其垂直于碳纳米管排列方向的值。

大规模生长定向排列多壁碳纳米管工艺研究

研究了大规模生产定向排列多壁碳纳米管的工艺。研究结果表明控制工艺参数 ,可以大幅度提高定向排列多壁碳纳米管的产率 ,使其达到用载体催化剂制造碳纳米管的水平。

棉纤维表面氨基硅的膜形貌及其定向排列方式

用场发射扫描电镜FE-SEM和光电子能谱仪XPS研究了天然棉纤维表面氨基硅——N-β-氨乙基-γ-氨丙基聚二甲基硅氧烷(ASO-1)的膜形貌及其定向排列成膜方式。结果发现,在观察尺寸WD≥200 nm的条件下,ASO-1在棉纤维表面形成的硅膜呈相对均匀的平滑形貌。XPS定量分析表明,在ASO-1处理后的棉纤维表面,大多数N原子被固定在硅膜与纤维的界面。这表明氨基硅在棉纤维表面的定向排列成膜方式为:硅甲基朝外伸向空气,Si—O偶极键及极性氨基指向纤维界面。

聚(二甲基硅氧烷-co-甲氧基十二烷基硅氧烷)在棉纤维及其模型表面的膜形貌及定向排列方式

用场发射扫描电镜(FESEM)、原子力显微镜(AFM)、光电子能谱(XPS)等仪器研究了棉纤维以及再生纤维素表面聚(二甲基硅氧烷-co-甲氧基十二烷基硅氧烷)(DDPS)的膜形貌及其定向排列方式.结果发现,在天然棉纤维以及再生纤维素模型表面,DDPS均能形成宏观上平滑、而微观形态学实则非均一的疏水性硅膜,表明DDPS的定向排列成膜方式为疏水性硅甲基、硅十二烷基朝外伸向空气,硅氧偶极键指向基质界面.

单轴热压加载下云母微晶玻璃的晶体定向排列

利用单轴热压变形物理模型进行实验模拟,对强化云母微晶玻璃的新途径———晶体定向排列进行了研究.结果表明:在单轴压缩变形方式下,云母微晶玻璃材料截面上的流变程度不均匀,导致晶体定向排列程度差异大.样品径向中心定向排列不明显,而靠近周边部位因玻璃相和云母晶体的强烈黏滞流变和转动,使云母晶体高度定向排列.云母晶体的定向排列可有效控制裂纹走向,显著提高其强度,也导致材料的各向异性.所采用的室温物理模型准确模拟了高温下云母玻璃陶瓷材料内部的应变特征和材料流动规律.

基于再生纤维素基质组装的氨基硅膜形貌及其定向排列方式

用原子力显微镜AFM、光电子能谱仪XPS等研究了组装在再生纤维素基质(cel)表面的N-β-氨乙基-γ-氨丙基聚二甲基硅氧烷(ASO-1)的膜形貌、表面相化学组成及疏水性。结果发现,受基质表面不平整性的影响,组装在cel表面的氨基硅膜(ASO-1/cel),微观上会表现出一种类似于基质的粗糙形貌。而XPS分析和接触角测定结果表明,ASO-1/cel表面强烈疏水,在其表层明显存在由氨基硅ASO-1所产生的Si2p、C1s、N1s和O1sXPS峰。据此推测,ASO-1在cel表面的定向排列成膜方式为:硅甲基朝外伸向空气、Si-O偶极键以及极性氨基指向基质界面。

静电纺丝制备定向排列聚酰亚胺基炭纳米纤维

均苯四甲酸二酐和二氨基二苯醚溶解在N,N-二甲基乙酰胺中,室温下聚合为聚酰胺酸。以聚酰胺酸溶液作为前驱体,在20 k V电压下静电纺丝,然后进行350℃热亚胺化处理可得到定向排列的聚酰亚胺纳米纤维,再于900℃炭化、3 000℃石墨化,得到均匀连续、定向排列的聚酰亚胺基炭纳米纤维,纤维直径约100 nm。结果表明,聚酰胺酸质量分数为20%的溶液电纺性能最佳,3 000℃石墨化处理后的炭纳米纤维具有典型的石墨结构。

定向排列纳米碳管

本文提出在层流场中定向排列纳米碳管的技术,并理论计算了在层流场中、电场中、强磁场中重新定向排列的机理,用机械拉伸法将CNT均匀分散并定向排列在PMMA中,得到各向异性且力学性能和电学性能都很好的CNTs/PMMA复合材料。此实验结果证明机械拉伸法与层流场中定向排列纳米碳管的理论机理相符。

空间各向异性两体势与液晶定向排列

基于分子场理论,研究一种新的空间各向异性两体作用势。对于该两体势,分子质心固定在简单立方晶格的格点上,而势参数依赖于液晶的弹性常数。通过函数迭代方法解分子取向分布函数满足的自洽方程。在大块液晶内部,存在3组单轴解,它们的指向矢分别沿x,y和z轴方向并且具有相同自由能。通过表面作用势描写摩擦后基板对液晶分子的作用,对20个分子层构成的5CB液晶薄层进行了数值计算。仍存在三种指向矢不同的状态,指向矢沿着摩擦方向的状态具有最低自由能。另外,讨论了表面作用在界面分子层中诱导的双轴序。

矿物定向排列致各向异性岩石渐进破坏强度特征——以黑云母石英片岩为例

为探究矿物定向排列致各向异性岩石的渐进破坏强度特征,以黑云母石英片岩为例,针对含0°、45°、90°3种片理角度的试样开展三轴压缩试验,分析了试样的宏微观破坏特征及渐进破坏力学强度指标,探讨了与其他类型各向异性岩石的差异性。结果表明:岩石的破坏特征与其片理结构密切相关,片理面角度从0°增大到90°,试样的宏微观破裂特征由以张拉为主向剪切为主再向张剪并存为主转变;岩石强度特征值表现出显著的各向异性,随着片理面角度的增大,围压升高所产生的强度特征值增强效应减弱,但强度值变化却呈加速增大趋势;强度特征值比的各向异性变化规律并不明显,在高围压下,强度特征值比的各向异性逐渐减弱乃至消失。矿物定向排列岩石与含层理结构岩石的破坏形式、强度特征值及其比值的表现规律均有所不同,深入了解矿物定向排列岩石的力学特性将有助于指导相关工程实践活动。

聚焦接收电极制备定向排列纳米纤维阵列

以聚丙烯腈(PAN)/N,N-二甲基甲酰胺(DMF)溶液为纺丝原液,采用聚焦电极作为接收装置,利用静电纺丝方法制备纳米纤维,可以使获得的纤维集合体呈现悬浮状态,而且使纤维能够定向排列。研究了溶液浓度、不锈钢棒数量、接收距离、溶液流速、电压以及电极转速等参数对于纤维定向排列程度的影响规律。结果表明,6根棒电极和4根棒电极均能获得定向排列纤维;纤维的定向排列程度随着溶液浓度的增加而提高;适中的接收距离更有利于纤维定向排列;在相对较低的溶液流量和电压条件下,才能有效获得定向排列程度较高的纤维阵列;电极的旋转会劣化纤维的定向。

孔隙定向排列多孔高温合金材料研究

采用粉末烧结的方法制备了孔隙定向排列多孔高温合金材料。通过实验确定了材料的烧结工艺,测定了孔隙参数,考察了合金的抗压性能。

定向排列纵横切分马铃薯种薯切块机设计与试验

针对马铃薯种薯需求量大以及人工切种工作量大、劳动强度高、切种效率较低等问题,设计了一种定向排列纵横切分马铃薯种薯切块机,可同时完成马铃薯种薯清土除杂、大小分选、种薯排列、切块、薯块杀菌消毒、薯种碎片清选和集薯输送等多种作业。该种薯切块机包括种薯分选装置、定向排列装置、纵切装置和横切装置,采用纵刀和横刀组合切块工艺,可有效提高种薯切块效率,降低劳动强度。以中间电机Ⅱ转速、上下胶皮辊中心距和薯刀梳子安装角为试验因素,以薯块合格率、薯块盲眼率和种薯损耗率为试验指标,进行了响应曲面试验,采用Design-Expert 8.0.6软件对试验数据进行分析,得出最优参数组合为:中间电机Ⅱ转速为965.76 r/min,上下胶皮辊中心距为315 mm,薯刀梳子安装角为104.61°,最优参数组合条件下薯块合格率94.86%,薯块盲眼率1.84%,种薯损耗率9.72%。在最优参数组合条件下进行了验证试验,结果表明,薯块合格率为92.13%,薯块盲眼率为1.91%,种薯损耗率为10.21%,与预测值相比,薯块合格率、薯块盲眼率及种薯损耗率的相对误差分别为2.88%、3.80%、5.04%,满足马铃薯种薯切块要求。

碳纳米管定向排列的SWNTs/PMMA复合材料研究

采用机械拉伸的方法制备了单壁碳纳米管(SWNTs)均匀分散并且定向排列的SWNTs/聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)复合材料。通过TEM照片表明SWNTs沿拉伸方向排列。对复合材料进行了力学性能测试,随着碳纳米管含量的增加,复合材料的弹性模量、拉伸强度和延伸率均得到明显提高,并表现出明显的各向异性。TGA分析表明SWNTs的加入明显提高了复合材料的热稳定性。