Electrospun Nanofiber Reinforced Composites: Fabrication and Properties

Titelangaben

Jiang, Shaohua:
Electrospun Nanofiber Reinforced Composites: Fabrication and Properties.
Bayreuth , 2014 . - IV, 158 S.
( Dissertation, 2014 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

This dissertation presents research related to the use of electrospun nanofibers for reinforcement of mechanical properties of polymers, like thermoplastic polyurethane (TPU), melamine-formaldehyde (MF) and polyimide (PI). Nylon-6 and PI electrospun nanofibers are excellent candidates for reinforcement purposes as they possess excellent mechanical properties. Both long and short electrospun nanofiber reinforced composites were prepared and the effects of the fiber contents, the fabricating methods, and use of continuous and/or short nanofibers on the wetting behavior, mechanical properties, thermal and optical properties were investigated in the present work.

Chapter 1 provided a general introduction of fiber reinforced polymer composites and electrospinning technology. The classification, the mechanical properties and the fabrication methods of fiber reinforced polymer composites were introduced. Nanofibers as a special kind of fibers have been attracting more and more attention in fiber reinforced polymer composites due to their excellent mechanical properties compared to the traditional fibers. The affecting factors on the properties of fiber reinforced polymer composites were also introduced in Chapter 1.

Chapter 2 is the cumulative part of the thesis subdivided into 4 parts. Each part is the summary of the published work in different peer-reviewed journals.

In Section 2.1, electrospun nylon-6 nanofiber mats were used to reinforce melamine-formaldehyde (MF) by dip-coating combined with hot-pressing (method 1) and passing the MF solution through nylon-6 nanomats combined with hot-pressing (method 2). The resulted composite films by both methods presented synergistic effects in tensile strength and toughness compared to the pure MF resin. The wetting behavior of the samples (produced by methods 1 and 2) led to quite different effects on the morphology and mechanical properties of the composites. Depending on the loading amount of nylon-6 nanofibers, the effect between MF and nylon-6 could be considered as fiber reinforced MF or MF glued nylon-6 fibers. Section 2.2 highlighted a novel layer-by-layer procedure for making high performance nylon-6 nanofiber reinforced TPU composites. The fast wetting of nylon-6 nanofibers by a TPU/N,N’-dimethylformamide (DMF) solution greatly improved the interfacial interaction between nylon-6 nanofibers and the TPU matrix, and led to a significant improvement in mechanical properties like tensile strength, E modulus, elongation at break and toughness. The enhancement was achieved without sacrificing the transparency of TPU by just using very small amounts (even as small as 0.4 wt%) of nylon-6 nanofibers.

Section 2.3 and 2.4 focused on the initial investigations of using short electrospun nanofibers as reinforcement. A liquid processing technique was applied to prepare short electrospun nanofibers and their dispersions. The pre-loaded very small amount of short nanofibers (˂ 5 wt%) gave rise to significant enhancement effects without sacrificing the transparency. In section 2.3, a comparison study by using short nylon-6 nanofibers to reinforce TPU and poly(methyl methacrylate) (PMMA) was provided. The interaction of hydrogen bonding (H-bonding) and the homogeneous distribution of short fibers between nylon-6 nanofibers and the TPU matrix led to a stronger interface compared to nylon-6/PMMA composites and better reinforcement effects were observed in nylon-6/TPU composite than in nylon-6/PMMA composites. Section 2.4 described the self-reinforced PI composites and compared the enhancement in mechanical properties by short PI nanofibers and PI nanofiber mats. The solubility difference between PI and its precursor, polyamic acid (PAA) provided the opportunity to prepare self-reinforced composites. As compared to using PI nanofiber mats as reinforcement, the short PI nanofiber reinforced PI composites showed better mechanical properties due to the much better dispersability of short nanofibers. Quite less amounts of short PI nanofibers than nanofiber mat were required to achieve similar enhancement of the composites, i.e. 38 wt% of PI nanofiber mat compared to 2 wt% of short PI nanofibers were required to achieve almost the same tensile strength.

Chapter 3 presents an outlook about the problems and challenges in electrospun nanofiber reinforced polymer composites. Future work about electrospun nanofiber reinforced composites could be focused on (1) how to prepare strong nanofiber with excellent mechanical properties; (2) the effect of diameter and aspect ratio of nanofibers on the properties of nanofiber reinforced polymer composites; (3) how to enhance the nanofiber/matrix interaction and (4) how to prepare super strong electrospun carbon nanofibers as reinforcements.

Abstract in weiterer Sprache

Diese Dissertation beschreibt einige Entdeckungen zu elektrogesponnenen nanofaserverstärkten Polymerkompositen, bei denen zum einen kontinuierliche und kurze Nylonnanofasern zur Verstärkung von Melaminformaldehyd (MF) bzw. thermoplastischer Polyurethane (TPU) eingesetzt und zum anderen kontinuierliche und kurze Polyimid-(PI)-nanofasern zu selbstverstärkenden PI-Kompositen umgesetzt wurden. Insbesondere der Einfluss von Fasergehalt, Fertigungsmethoden und der Einsatz von kontinuierlichen bzw. kurzen Nanofasern wurde im Hinblick auf Benetzungsverhalten, mechanische Eigenschaften, thermischen und optische Eigenschaften untersucht.

Diese Dissertation befasst sich mit Forschung im Zusammenhang mit der Verwendung von elektrogesponnenen Nanofasern zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von Polymeren, wie thermoplastischem Urethan (TPU), Melaminformaldehyd (MF) und Polyimid (PI). Nylon-6- und PI-Nanofasern sind hervorragende Beispiele für Verstärkungszwecke, da sie exzellente mechanische Eigenschaften besitzen. Composite verstärkt sowohl mit langen als auch kurzen elektrogesponnenen Nanofasern wurden hergestellt und die Auswirkung auf Fasergehalt, Verarbeitungsmethode, Benetzungsverhalten, mechanische Eigenschaften und andere Eigenschaften in dieser Arbeit untersucht.

In Kapitel 1 wurde eine allgemeine Einführung zu faserverstärkten Polymer-compositen und den Grundlagen des Elektrospinnens gegeben. Die Klassifizierung, die mechanischen Eigenschaften und Verarbeitungsmethoden von faserverstärkten Polymerkompositen wurden hier diskutiert. Nanofasern, als besondere Art von Fasern, haben im Bereich der faserverstärkten Polymercomposite, aufgrund ihrer ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften im Vergleich zu herkömmlichen Fasern, mehr und mehr Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Die Faktoren, die die Eigenschaften von faserverstärkten Polymercompositen beeinflussen, wurden ebenfalls in Kapitel 1 beschrieben.

Das Kapitel 2 enthält den kumulativen Teil der Arbeit und enthält vier Teile. Jeder dieser Teile stellt eine Zusammenfassung eines in einer begutachteten Zeitschrift veröffentlichen Artikels dar.

In Sektion 2.1 wurden Methoden zur Herstellung von mit elektrogesponnenen Nylon-6-Nanofasermatten verstärktem MF diskutiert. Zum Verstärken wurden einerseits Tauchbeschichtung und Heißpressen (Methode 1), andererseits Durchführen einer MF-Lösung durch Nylon-6-Nanofasermatten gefolgt von Heißpressen (Methode 2) eingesetzt. Die daraus erhaltenen Kompositfilme zeigten synergetische Effekte in Bereichen von Zugfestigkeit und Zähigkeit verglichen mit reinem MF-Harz. Die Benetzungseigenschaften der Proben (hergestellt durch Methoden 1 und 2) führten zu gänzlich anderen morphologischen und mechanischen Eigenschaften. Abhängig von der Beladungsmenge mit Nylon-6-Nanofasern konnte das System als faserverstärktes MF oder als mit MF verklebte Nylon-6-Fasern betrachtet werden.

In Sektion 2.2 wurde ein neues Layer-by-Layer-Verfahren zur Darstellung von mit TPU verstärkten Hochleistungs-Nylon-6-Nanofaser-Kompositen beleuchtete. Die schnelle Benetzung der Nylon-6-Nanofasern mit einer TPU/ N,N’-dimethylformamide (DMF)-Lösung verbesserte die Grenzflächeninteraktion zwischen Nylon-6 und der TPU-Matrix deutlich und führte zu einer Steigerung der mechanischen Eigenschaften, wie Zugfestigkeit, E-Modul, Bruchdehnung und Zähigkeit. Diese Verbesserungen konnten ohne Verlust der Transparenz von TPU erreicht werden, da bereits Anteile von 0.4 gew.% der Nylon-6-Nanofasern ausreichten.

In Sektion 2.3 und 2.4 lag das Augenmerk auf den anfänglichen Untersuchungen zu kurzen elektrogesponnenen Nanofasern als Verstärkung. Eine nasschemische Technik wurde eingesetzt, um kurze elektrogesponnene Nanofasern und ihre Dispersionen herzustellen. Bereits geringe Mengen von kurzen Nanofasern (< 5 gew.%) führten zu signifikanten Verbesserungen der Eigenschaften, ohne die Transparenz der Proben zu kompromittieren. In Sektion 2.3 wurde eine Vergleichsstudie zur Herstellung von mit Nylon-6-nanofaserverstärktem TPU bzw. poly(methyl methacrylate) (PMMA) diskutiert. Die Wechselwirkungen, aufgrund von Wasserstoffbrückenbindungen und die homogene Verteilung der kurzen Fasern zwischen den Nylon-6-Nanofasern und der TPU-Matrix führten zu einer stärkeren Verknüpfung der Grenzflächen und somit zu besseren Verstärkungseffekten verglichen mit den Nylon-6/PMMA-Kompositen. In Sektion 2.4 wurden sich selbst-verstärkende PI-Komposite beschrieben und die Verbesserungen durch den Einsatz von kurzen PI-Nanofasern und PI-Nanofasermatten verglichen. Die Löslichkeitsunterschiede zwischen PI und seinem Präkursor, Polyamidocarbonsäure (PAA) ermöglichte die Darstellung von sich selbst-verstärkenden PI-Nanofasern. Diese zeigten, aufgrund der besseren Dispergierbarkeit, bessere mechanische Eigenschaften als die mit PI-Nanomatten verstärkten Komposite. So wurden zur Erzeugung ähnlicher mechanischer Eigenschaften deutlich geringere Mengen PI-Nanofasern benötigt, was z.B. im Falle gleicher Zugfestigkeit in 2 gew.% Nanofasern gegenüber. 38 gew.% Nanofasermatten zum Ausdruck kam.

Kapitel 3 gibt einen Ausblick über die bestehenden Probleme und Herausforderungen bei durch elektrogesponnene Nanofasern verstärkten Polymerkompositen. Weitere Arbeiten könnten in den folgenden Bereichen liegen: (1) Wie lassen sich stabile Nanofasern mit exzellenten mechanischen Eigenschaften herstellen? (2) Untersuchung des Einflusses von Durchmesser und Aspektverhältnis von Nanofasern auf die Eigenschaften von Nanofaser-verstärkten Polymerkompositen (3) Wie lassen sich die Wechselwirkungen zwischen Nanofasern und Matrix verbessern? (4) Wie lassen sich elektrogesponnene Kohlenstoff-Nanofasern als Verstärkung einsetzen?