基本信息
- 项目名称：
- 石墨烯增强聚芳砜胺纳米纤维的制备与表征
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 本项目是研究用电纺丝技术制造用石墨烯增强具有良好的分子取向性的、高分子量的聚酰胺酰亚胺类高强度纳米纤维，以期达到具有耐高温、耐摩擦、抗冲击力强且有适当性价比的高性能电纺纳米纤维，为国防事业、航天事业及民用工业提供具有卓越性能的新材料，其立项的理论依据充足、意义深远。
- 详细介绍：
- 电纺聚合物纳米纤维由于直径小，且无法通过拉伸等传统方法改善其机械性能，纤维的强度在很大程度上限制了其实用性。耐高低温的、耐挤压的、耐摩擦的、抗冲击力强的高性能纳米纤维是国内外学者追寻的目标，也是本研究课题希望达到的目标。 纤维的强度主要取决于成纤聚合物的分子量及其分子链在纤维中沿纤维轴向取向的程度。电纺纳米纤维的直径太小，工艺上难于通过拉伸的方法获得分子取向性高的纳米纤维。通过刚性大分子在电纺过程中溶液电性的调节使分子沿纤维轴向取向，用来获得具有良好分子取向性的纳米纤维是值得我们去尝试的制备高强度纳米纤维的方法。Kevlar及其3,3－位异构体Nomex都是著名的高性能的刚性聚芳酰胺纤维，但由于溶解性能的关系，使得无法用电纺技术大规模制备其高性能的纳米纤维。为了解决这一难题，本研究课题着力于合成在普通有机溶剂中溶解性能良好的、高分子量的、刚性高分子聚芳砜胺，采用适当的方法使氧化石墨烯与聚合分子水平相容，通过调节其溶液的电性，电纺成分子取向性良好，石墨烯增强的聚合物纳米纤维。
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作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 电纺聚合物纳米纤维是近年来在世界范围内受到广泛关注的一类纳米材料。本研究课题着力于合成高分子量的聚芳砜胺和高质量、高纯度的氧化石墨烯，在DMF中将二者均匀分散。通过调节其溶液的电性，电纺制得石墨烯增强的纳米纤维。经表征发现此类复合纤维的耐热性能，力学性能均得到大幅度的提高。
科学性、先进性及独特之处
- 1.制备得到氧化石墨烯与聚芳砜胺在DMF中均匀分散。 2.电纺制备石墨烯增强的聚合物纳米纤维，在石墨烯的作用下聚合物纳米纤维的强度，耐热性等进一步得到提高。
应用价值和现实意义
- 本项目研究旨在通过电纺技术制备石墨烯增强聚合物纳米纤维。该纳米复合材料具有耐高低温、耐摩擦、高强度，适当性价比。在此种材料中，石墨烯的卓越性能跨越纳米尺寸，充分地体现在其组装成的宏观结构之中，为国防事业、航空航天事业及民用工业提供具有卓越性能的新材料。
学术论文摘要
- 本文使用化学氧化法制备高质量的氧化石墨烯，对其形貌和结果进行了表征。 并以4,4’-二氨基二苯基砜(4,4’-DDS)与对苯二甲酰氯(TPC)为单体，通过低温溶液缩聚反应合成一系列不同粘度的聚对苯二甲酰对氨基苯砜，用IR、1H-NMR、DSC、TG、电子万能实验机等表征手段对聚芳砜胺的结构和性能进行了表征和测试。将得到的氧化石墨烯与聚芳砜胺进行均匀分散，通过电纺技术制备的石墨烯增强聚合物纳米纤维，实验结果表明：此类纳米纤维机械强度比较高，耐热性能好，而且随着氧化石墨烯含量增加，拉伸强度，弹性模量，耐热性能得到大幅度增加。
获奖情况
- 2011年获得第十二届挑战杯江西区二等奖
鉴定结果
- 该方案切实可行，真实可靠。
参考文献
- [ 1] Novoselov K.S., Geim A.K., Morozov S.V., et a1. Science 2004, 306, 666. [ 2 ] Chae H.K., SiberioPerez D.Y., Kim J. Nature 2004, 427, 523. [ 3 ] Schadler L.S., Giannaris S.C., Ajayan P.M., Appl. Phys. Lett. 1998, 73, 3842. [ 4] Zhang Y.B., Tan Y.W., Stormer H.L., et al. Nature 2005, 438, 201. [ 5]Li D., Muller M.B, Gilje.S, et al. Processable aqueous dispersions of graphene nanosheets. Nat Nanotechnol, 2008, 3: 101—105. [ 6] Gomez-Navarro C., Weitz R.T., Bittner A.M., et al. Electronic transport properties of individual chemically reduced graphene oxide sheets. Nano Lett, 2007, 7: 3499—3503. [ 7]Park S., Ruoff R.S. Chemical methods for the production of graphenes. Nat Nanotechnol, 2009, 4: 217—224. [ 8]Wu Z.S., Ren W.C., Gao L.B., et al. Synthesis of high-quality graphene with a pre-determined number of layers. Carbon, 2009, 47: 493—499.
同类课题研究水平概述
- 电纺聚合物纳米纤维是一类近年来在世界范围内吸引了广泛关注的纳米材料，是近几年在材料科学领域发展最快的学科。虽然电纺技术有一百多年的历史，但真正广泛、深入的研究则是从Reneker教授1996年在Nanotechnology上发表的一篇有关电纺聚合物纳米纤维的研究报告开始的。这种纳米纤维的直径可形成在1纳米到数微米的广谱尺寸范围内，其长度则可达数米，目前能大规模制备的、有实际制备意义的直径尺寸则在100纳米以上。由这种纳米纤维形成的无纺布（non-woven fabric）是高度孔隙化的，孔径可小至数纳米，具有优良的过滤性质，已用在各种发动机（从汽车、坦克发动机到涡轮机厂房）的进气口上；在消防、医疗及军事防护上，滤除尘埃、烟雾、细菌、甚至病毒的应用也正在进行。由于孔径小、孔隙率高，科学家们正在研究将这种功能膜结构用在工业上做气体分离膜; 用在海水淡化工程上做超滤膜等。由于它的比重小，美国宇航局的科学家们则在研究用这种高度孔隙化了的电纺纳米纤维膜结构来制造在宇宙空间推进宇航器的光帆。这种电纺纳米纤维膜结构不仅孔隙率高，且比表面积大，碳化后可用来做催化剂的载体、化学毒气的吸附剂、化学电池、超级电容器和原料电池的电极结构材料等。我国目前在该领域还比较落后。 石墨烯自2004年被发现以来，由于其特殊的结构和性质，迅速成为国际前沿的研究热点，已被广泛应用于物理、化学、材料和生物医学领域。用电纺丝技术制备聚合物—石墨烯的复合纳米纤维的研究工作也已开始，由于石墨烯在溶剂中难于分散，致使石墨烯在电纺聚合物纳米纤维中的含量都不高，机械性能改善幅度不大。增强石墨烯与聚合物间的相互作用（如用聚合物通过化学键修饰过的石墨烯或使用氧化程度高的氧化石墨烯）、提高石墨烯含量（使用可溶性的氧化石墨烯）及选用高性能的聚合物作为石墨烯的粘接剂是制造一种超高性能的电纺石墨烯增强纤维的可行途径。 本项目是研究用电纺丝技术制造用石墨烯增强具有良好的分子取向性的、高分子量的聚酰胺酰亚胺类高强度纳米纤维，以期达到具有耐高温、耐摩擦、抗冲击力强且有适当性价比的高性能电纺纳米纤维，为国防事业、航天事业及民用工业提供具有卓越性能的新材料，其立项的理论依据充足、意义深远。
