基本信息
- 项目名称：
- 电纺聚合物纳米纤维的尺寸效应
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 本文对聚丙烯腈（PAN），尼龙4/6（Nylon-4,6），间位芳纶（Nomex），聚乳酸（PLA）等几种聚合物的电纺纳米单丝的直径及其相应的机械性能进行了测试，发现这几种聚合物电纺纳米纤维的机械性能对其纤维直径存在依赖关系，纤维的拉伸强度和杨氏模量随直径的减小呈现急剧上升的趋势，特别是在纤维直径小于400 nm后，这种趋势尤为明显。这种显现在不同聚合物纳米纤维之中的相同现象实为电纺聚合物纳米纤维的“机械性能尺寸效应”。
- 详细介绍：
- 通过电纺纳米单纤维拉伸技术，测定了直径范围在50nm到800nm Nylon6/6纳米单纤维的机械性能，研究了纤维直径对电纺纳米单纤维机械性能的影响。与以前报道不同的是，本文利用原子力显微镜（AFM）取代扫描电子显微镜（SEM）来测量纳米单纤维的直径。利用纳米单纤维拉伸测试仪（JQ03new，中国上海），成功测定了直径小于100nm的纳米纤维的机械性能。研究结果显示：随着纳米纤维直径的减小，纤维的拉伸强度和弹性模量增加，并在直径小于400nm时急剧增大，即称为“电纺纳米纤维机械性能的尺寸效应”。直径～50nm的Nylon6/6纳米单纤维的拉伸强度和杨氏模量分别为9.9GPa和30GPa，而直径～500nm的Nylon6/6纳米单纤维的拉伸强度和模量分别只有108 MPa和1.3 GPa。用拉伸测试方法研究了其他不同种类的聚合物电纺纳米纤维的机械性能与其直径的关系，如聚间苯二甲酰间苯二胺（Nomex）,聚丙烯腈（PAN），尼龙4/6（nylon 4/6），聚乳酸（PLA）等。结果显示：当直径小于400nm时，这些纳米单纤维的拉伸强度和弹性模量也都随着纤维直径的减小而增大。说明“电纺纳米纤维机械性能的尺寸效应”是普遍存在的现象。
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撰写目的和基本思路
- 电纺聚合物纳米纤维的直径很小，比聚合物分子链长小得多。在分子链长度比纤维直径还要大的情况下，电纺纳米纤维中聚合物分子的堆积、取向以及纤维表面分子链所占比例将与纤维直径相关。即纤维直径将会对纤维的性质产生影响。目前，相关领域对电纺纳米纤维的机械性能，尤其是单纤维机械性能的研究还很有限。本项目研究目的是希望籍此研究结果提高对电纺纳米纤维机械性质的更深刻认识，开辟制备高强度电纺纳米纤维的新途径。
科学性、先进性及独特之处
- 实验中，我们利用原子力显微镜（AFM）取代扫描电子显微镜（SEM）来测量纳米单纤维的直径，利用纳米单纤维拉伸测试仪（JQ03new，中国上海），成功测定了直径小于100nm的纳米纤维的机械性能。 本项目首次提出并研究尼龙纳米纤维机械性能在50至800纳米直径范围内的尺寸效应，是电纺聚合物纳米纤维机械性能研究方面的创新。
应用价值和现实意义
- 该项目研究的成功将对电纺聚合物纳米纤维的机械性能的深刻认识具有重大的理论意义，所凝练的理论将对制备高强度聚合物纳米纤维具有实际的指导作用。 同时，其所构成的膜或布不仅有优异的过滤性能，可被用来制作不仅舒适而且高效的各种服装；高效的过滤器也将用在各种地区的空气净化；用在电池工业上作电池隔膜和高效的电极等；用在宇航事业中作为光帆推动宇宙飞船在太空飞行。
学术论文摘要
- 通过电纺纳米单纤维拉伸技术，测定了直径范围在50nm到800nm的Nylon6/6纳米单纤维的机械性能，研究了纤维直径对电纺纳米单纤维机械性能的影响。与以前报道不同的是，本文利用原子力显微镜（AFM）取代扫描电子显微镜（SEM）来测量纳米单纤维的直径。利用纳米单纤维拉伸测试仪（JQ03new，中国上海），成功测定了直径小于100nm的纳米纤维的机械性能。研究结果显示：随着纳米纤维直径的减小，纤维的拉伸强度和弹性模量增加，并在直径小于400nm时急剧增大，即称为“电纺纳米纤维机械性能的尺寸效应”。用拉伸测试方法研究了其他不同种类的聚合物电纺纳米纤维的机械性能与其直径的关系，如聚间苯二甲酰间苯二胺（Nomex）,聚丙烯腈（PAN），尼龙4/6（nylon 4/6），聚乳酸（PLA）等。结果显示：当直径小于400nm时，这些纳米单纤维的拉伸强度和弹性模量也都随着纤维直径的减小而增大。说明“电纺纳米纤维机械性能的尺寸效应”是普遍存在的现象。
获奖情况
- 无
鉴定结果
- 无
参考文献
- [1] Huang, C.B.; Chen, S.L.; Lai, C.L.; Reneker, D. H.; Qiu, H.Y.; Ye, Y.; and Hou, H.Q. [J]Nanotechnology 2006, 17, 1558. [2] Lee, K. H.; Kim, H. Y.; Khil, M. S.; Ra, Y. M.; Lee, D.R. [J] Polymer 2003, 44, 1287. [3] Nair, L. S.; Bhattacharya, S.; Bender, J. D.; Greish, Y. E.; Brown, P. W.; Allcock, H. R.; Laurencin, C. T. [J]Biomacromolecμles 2004, 5, 2212. [4] Hou, H.Q.; Zeng, J.; Ge, J. J.; Reneker, D. H.; Greiner, A.; Cheng, Stephen Z. D. [J]Chem.Mater 2005, 17(5), 967. [5] Guhados, G.; Wan, W. K.; and Hutter, J. L. [J]Langmuir 2005, 21, 6642. [6] Wang, M.; Jin, H.-J.; Kaplan, D. L.; and Rutledge, G. C. [J]Macromolecμles 2004, 37, 6856. [7] Tan, E. P. S.; Lim, C. T. [J]Appl.Phys.Lett 2004, 84, 1603. [8] Leuba, S.; Zlatanova, H. J.; Karymov, M. A.; Bash, R.; Liu, Y-Z.; Lohr, D.; Harrington, R. E.; and Lindsay, S. M. [J]Single.Mol 2000, 1, 185. [9] Tan, E.P.S.; Ng, S.Y.; Lim, C.T. [J]Biomaterials 2005, 26, 1453.
同类课题研究水平概述
- 美国是研究和应用聚合物纳米纤维最早的国家，当代电纺丝之父Reneker 博士从上世纪90年代初开始研究用电纺丝技术制造聚合物纳米纤维，引领世界聚合物纳米纤维研究的潮流；德国的Greiner博士是中空纳米纤维的开拓者，在2000年成功地开发了中空纳米纤维，引导了有机、无机中空纳米纤维的国际研究。韩国政府紧随世界潮流，宣布将纳米功能性纺织品生产技术归入新一代技术开发计划中，在2010年前投入401亿韩元（其中政府承担252亿韩元）作为聚合物纳米纤维研究和技术开发经费。 我国目前在该领域也很活跃，长春应化所、北京化学所、东华大学、清华大学、同济大学、东南大学等几家单位在电纺丝技术领域做了大量的研究工作，取得了优异的成绩，使我国在电纺技术的国际竞争行列中占有一席之地。我校在省委、省政府的关怀下，在省科技厅、省教育厅的积极支持与扶持下，组建了省高校纳米纤维工程技术中心，在省内形成了一个聚合物纳米纤维研究与技术开发的平台，组建了聚合物纳米纤维科研团队，购买了大量的仪器设备，并展开了卓有成效的研究工作，取得了令人骄傲的成绩。 基于我校纳米纤维工程中心在聚合物纳米纤维研究领域的雄厚工作基础和良好的工作平台，本团队选择有关聚合物纳米纤维的制备与性能方面的课题进行研究，希望在一个高起点上取得在国内外具有较大影响的研究成果，对推动聚合物纳米纤维学科的继续发展作出积极贡献。
