靜電紡絲法制備聚丙烯腈基納米碳纖維的研究.pdf

1、纖維增強復合材料在航空航天、軍工和能源等領(lǐng)域己得到廣泛應(yīng)用，隨著各種先進技術(shù)的發(fā)展，對于復合材料性能的要求越來越高，需要開發(fā)新一代高性能增強纖維。聚丙烯腈(PAN)基碳纖維已經(jīng)商業(yè)化幾十年了，在所有商用的先進纖維增強體中，它擁有最高的比強度和比模量。但目前傳統(tǒng)碳纖維在結(jié)構(gòu)方面存在各種缺陷，如纖維表面裂紋，孔洞，皮芯結(jié)構(gòu)等，限制了碳纖維性能的提高。因此，要制備更高性能的PAN基碳纖維，最有效的辦法就是減少各種結(jié)構(gòu)缺陷。本文通過靜電紡絲法制

2、備了平行排列的PAN納米纖維膜，引入多步熱牽伸工藝，經(jīng)過預(yù)氧化和碳化，最終制得連續(xù)的高度有序排列且低缺陷的納米碳纖維，為制備高性能碳纖維探索出了一條新的途徑。
　　 論文的主要研究如下：
　　 1.研究了紡絲液濃度對于對纖維形貌的影響，并根據(jù)實驗結(jié)果優(yōu)化了靜電紡絲工藝條件。只有當PAN紡絲液濃度不低于14 wt％時，才能制得形貌均一的PAN納米纖維。
　　 2.制備PAN納米纖維膜，研究了PAN原絲、牽伸前后PA

3、N納米纖維熱力學性能。PAN納米纖維在空氣中的環(huán)化反應(yīng)可以分為分子內(nèi)環(huán)化和分子間環(huán)化，分子內(nèi)環(huán)化與氧氣無關(guān)，但分子間環(huán)化必須有氧氣的參與才能發(fā)生，且納米纖維的牽伸程度越大，越有利于分子間環(huán)化反應(yīng)的進行。
　　 3.引入多步熱牽伸的方法，對制備的PAN納米纖維膜進行熱牽伸，研究了牽伸前后纖維的結(jié)構(gòu)與性能的變化。多步熱牽伸提高了纖維分子鏈取向，使纖維平行排列更加有序，纖維直徑分布趨于均一化。且有效減少斷絲現(xiàn)象，牽伸后纖維直徑從537

4、 nm降低到412 nm。
　　 4.優(yōu)化預(yù)氧化工藝，在張力作用下對PAN納米纖維預(yù)氧化，研究不同預(yù)氧化溫度和時間對納米纖維結(jié)構(gòu)的影響。隨預(yù)氧化溫度的升高和預(yù)氧化時間的延長，PAN分子鏈逐漸由鏈式結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化成梯形環(huán)狀結(jié)構(gòu)，纖維的耐熱性不斷增強。280℃下預(yù)氧化120 min后，氧元素含量趨于穩(wěn)定值，表明環(huán)化反應(yīng)已基本完成，纖維被充分預(yù)氧化。
　　 5.氮氣保護下，在1200℃對預(yù)氧化的納米纖維進行恒應(yīng)變碳化，制得納米碳纖維

5、，對制得的納米碳纖維表面、內(nèi)部形貌和微觀結(jié)晶進行了表征。納米碳纖維高度有序排列、表面光滑，粗糙度為0.249nm，纖維內(nèi)部結(jié)構(gòu)均一，無皮芯結(jié)構(gòu)缺陷。纖維大部分呈現(xiàn)亂層石墨結(jié)構(gòu)，但部分晶區(qū)石墨片層平行排列，晶面間距為0.347 nm，晶層厚度為7-15層不等。
　　 6.在聚醚酰亞胺中加入實驗制得的納米碳纖維，對材料介電損耗沒有太大影響，但可以顯著提高材料的介電常數(shù)，降低材料的電阻率。加入1.0 wt％納米碳纖維，聚醚酰亞胺的電性