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华南理工大学彭响方&中国林业科学研究院王汉坤Compos. Sci. Technol.:乳液静电纺丝和烧结法制备新型PTFE/CNT复合纳米纤维膜及其性能研究
2021/10/13 15:14:31 admin

DOI: 10.1016/j.compscitech.2021.108980

 

在本研究中,通过乳液静电纺丝和高温烧结法制备了聚四氟乙烯/多壁碳纳米管(PTFE/CNT)纳米纤维膜。与纯PTFE纳米纤维膜相比,在低CNT含量下,PTFE/CNT纳米纤维膜的力学性能得以改善。例如,PTFE/CNT(0.5wt%)复合纳米纤维膜的拉伸强度从2.5MPa增加到5.92MPa,断裂伸长率从123%增加到330%。PTFE/CNT(5wt%)纳米纤维膜的电导率达到1.5S/m。同时,PTFE/CNT(5wt%)纳米纤维膜的介电常数和介电损耗分别为58.46和2372.3。PTFE/CNT(1wt%)复合纳米纤维膜在厚度为2.0mm时表现出-53.2dB的最佳反射损耗。添加CNT后,水接触角值从纯PTFE的135°略微降低到133.55°,但仍具有良好的疏水性。此外,所制备的PTFE/CNT纳米纤维膜还表现出良好的热性能和渗透性以及吸油特性,在电磁波吸收、电子封装、油水分离等方面具有广阔的应用前景。

 

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图1.PTFE/CNT纳米纤维膜的制备示意图。首先,收集前体PTFE/PEO/CNT纳米纤维膜;其次,对上述PTFE/PEO/CNT纳米纤维膜进行烧结,去除PEO,形成PTFE/CNT复合纳米纤维膜。


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图2.静电纺丝纳米纤维膜的SEM图像:(a1)前体PTFE/PEO(88/12wt%),(b1)前体PTFE/PEO/CNT(88/12/0.1wt%),(c1)前体PTFE/PEO/CNT(88/12/0.5wt%),(d1)前体PTFE/PEO/CNT(88/12/1wt%),(e1)前体PTFE/PEO/CNT(88/12/3wt%),(f1)前体PTFE/PEO/CNT(88/12/5wt%);(a3-f3)(a1-f1)的直径分布;(a2-f2)(a1-f1)的放大区域。


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图3.静电纺丝纳米纤维膜的SEM图像:(a1)纯PTFE,(b1)PTFE/CNT(0.1wt%),(c1)PTFE/CNT(0.5wt%),(d1)PTFE/CNT(1wt%),(e1)PTFE/CNT(3wt%),(f1)PTFE/CNT(5wt%);(a3-f3)(a1-f1)的直径分布;(a2-f2)(a1-f1)的放大区域。


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图4.纳米纤维膜的平均直径:(a)PTFE/PEO/CNT前体,(b)PTFE/CNT;烧结纳米纤维膜的AFM图:(c)纯PTFE,(d)PTFE/CNT(3wt%);(c1,d1)20μm×20μm形貌图像,(c2,d2)20μm×20μm扫描的3D图像。


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图5.(a)PTFE和(b)CNT水分散体的SEM图像,以及(c)烧结纯PTFE和(d)烧结PTFE/CNT3wt%(复合纳米纤维膜的代表)纳米纤维膜的横截面;(c2,d2)(c1,d1)的放大区域。


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图6.(a)PTFE和PTFE/CNT复合纳米纤维膜的TGA曲线,(b)FTIR光谱(PTFE/CNT3wt%作为复合纳米纤维膜的代表),(c)冷却和(d)二次加热DSC曲线,(e)XRD曲线,(f)结晶度直方图。


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图7.(a)烧结PTFE和PTFE/CNT膜的应力-应变曲线,(b)杨氏模量、拉伸应力和断裂伸长率的直方图。


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图8.(a)PTFE和PTFE/CNT纳米纤维膜的电导率δ和(b)δ直方图;(c)使用PTFE和PTFE/CNT3wt%纳米纤维膜组装电路的照片。


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图9.(a)PTFE和PTFE/CNT纳米纤维膜的介电常数(b)介电损耗曲线。


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图10.(a)PTFE/1wt%CNT和PTFE/3wt%CNT复合纳米纤维膜的介电常数实部和(b)虚部,(c)介电损耗角正切,(d)渗透率实部和(e)虚部,(f)磁损耗角正切。


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图11.(a)不同厚度的PTFE/1.0wt%CNT和(b)PTFE/3.0wt%CNT复合纳米纤维膜的反射损耗。


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图12.(A-F)纳米纤维膜的水接触角图像和(a-f)油接触角(石油醚)图像:(A1-A3,a)纯PTFE,(B1-B3,b)PTFE/CNT0.1wt%,(C1-C3,c)PTFE/CNT0.5wt%,(D1-D3,d)PTFE/CNT1wt%,(E1-E3,e)PTFE/CNT3wt%,(F1-F3,f)PTFE/CNT5wt%;(G)PTFE/CNT3wt%纳米纤维膜油水(红色液体是四氯化碳)分离过程的水接触角曲线和(H)数字图像。


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图13.(a1,a2)PTFE纳米纤维膜和(b1,b2)PTFE/CNT纳米纤维膜的透气性试验,旨在揭示其强大的防水透气性,它可以承受2.5kPa的液压和1.5L/min的流速,而不会因看到气泡穿过膜和浮力驱动而受损(a2和b2分别是a1和b1的局部放大图)。


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