靜電紡絲法制聚丙烯腈基碳纖維【開題報(bào)告】

1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告</b></p><p><b>　　紡織工程</b></p><p>　　靜電紡絲法制聚丙烯腈基碳纖維</p><p>　　一、選題的背景、意義</p><p>　　碳纖維(carbon fiber，簡稱CF)是一種含碳量在95％以上的新型纖維材料，一

2、般是由有機(jī)纖維經(jīng)熱處理而得到。碳纖維具有強(qiáng)度大，模量高，密度小，線膨脹系數(shù)小等諸多優(yōu)點(diǎn)，而被稱為新材料之王[1]。碳纖維已被認(rèn)為是二十一世紀(jì)最重要的高技術(shù)纖維之一，被廣泛應(yīng)用于航空航天，交通能源，以及體育器材等多個方面。碳纖維既具有一般碳材料所具有的高強(qiáng)度，同時還具有一般紡織物的柔軟可加工性，可以作為增強(qiáng)材料制成多種性能優(yōu)異的復(fù)合材料[2]。碳纖維樹脂基復(fù)合材料拉強(qiáng)度一般都在3500MPa以上，是鋼的7.9倍，抗拉彈性模量為23000-

3、43000MPa，亦高于鋼。同時碳纖維復(fù)合材料還具有密度小、耐熱沖擊、耐燒蝕、耐化學(xué)品、耐熱沖擊等優(yōu)點(diǎn)，使其成為戰(zhàn)略導(dǎo)彈、運(yùn)載火箭、衛(wèi)星、核電裝備等不可或缺的材料，在宇航軍工等高技術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用。</p><p>　　目前能夠工業(yè)化生產(chǎn)的碳纖維一般分為三類：聚丙烯腈(PAN)基碳纖維[3]、瀝青基碳纖維[4]以及黏膠基碳纖維[5]。其中聚丙烯腈基碳纖維在強(qiáng)度上優(yōu)于瀝青基、粘膠基碳纖維，而且生產(chǎn)工藝簡單

4、，具有較高的碳化收率，因此自60年代以來取得了長足發(fā)展，是當(dāng)前碳纖維工業(yè)生產(chǎn)的主流。在全世界的碳纖維生產(chǎn)中聚丙烯腈基碳纖維占有90％的比例，具有絕對性的壓倒優(yōu)勢[6]。因此，目前碳纖維的研究主要集中在聚丙烯基碳纖維的研究上。日本東麗公司可以代表聚丙烯腈基碳纖維的最高水平，其于1986年開發(fā)出的T1000碳纖維，抗拉強(qiáng)度已達(dá)到7．02Gpa[7]。瀝青基碳纖維原料廉價(jià)易得，所以在民用領(lǐng)域有一定的發(fā)展應(yīng)用，但是其普遍的性能不及聚丙烯腈基碳纖

5、維，故在更廣泛領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用受到了限制。而黏膠基碳纖維碳化收率低，技術(shù)難度大，成本較高，近些年來已經(jīng)很少有生產(chǎn)，唯有在航天器的燒蝕材料中具有難以取代的作用，是以一直保持著較低的產(chǎn)量。</p><p>　　我國的碳纖維研制也已經(jīng)有了幾十年的歷史。從上世紀(jì)六七十年代開始，已經(jīng)有多個大學(xué)實(shí)驗(yàn)室、研究所開始研究碳纖維，取得了一定得階段性成果[8]。但是由于種種原因，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定、產(chǎn)品規(guī)格少、品種單一、沒有高性能產(chǎn)品、技術(shù)

6、設(shè)備落后，大多沒有形成規(guī)模效益，無法實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。國內(nèi)眾多專家認(rèn)為，原絲質(zhì)量不過關(guān)是制約碳纖維性能的瓶頸[9]。隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，碳纖維的需求也與日俱增，而目前絕大部分民用和工業(yè)碳纖維只能依靠進(jìn)口，嚴(yán)重影響了我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)升級[10]。實(shí)現(xiàn)高性能碳纖維的工業(yè)化與降低碳纖維的成本，成為我國碳纖維研究最迫切的任務(wù)。</p><p>　　二、相關(guān)研究的最新成果及動態(tài)</p><p>　　聚

7、丙烯睛(PAN)碳纖維在航空航天、武器裝備，以及高科技產(chǎn)業(yè)中都具有重要的地位，但是制備碳纖維時，要維持高強(qiáng)度，一般會降低其模量；只有納米碳纖維不僅具有超高強(qiáng)度，還同時具有超高模量，從理論上來講納米碳纖維的綜合性能最好[11]。因此，納米碳纖維的制備和應(yīng)用是現(xiàn)代納米材料領(lǐng)域研究的一個熱點(diǎn)。制備納米碳纖維的方法主要有兩種[12]：一是化學(xué)氣相沉積法，這種方法生產(chǎn)成本高，產(chǎn)品純度低；二是靜電紡絲法，由靜電紡絲可以制備連續(xù)碳纖維長絲，而且直徑均

8、勻性和化學(xué)純度要好得多。制備納米碳纖維的整個工藝過程中不使用含有金屬離子的化合物，避免了提純要求，降低了制造成本，擴(kuò)大了應(yīng)用范圍。</p><p>　　2.1 靜電紡絲制備純納米纖維的方法[13]</p><p>　　靜電紡絲制備純納米纖維的方法是利用傳統(tǒng)的靜電紡絲裝置。在靜電紡絲時，正極置于聚合物溶液或熔體中，負(fù)極連接在收集網(wǎng)上。當(dāng)聚合物溶液或熔體表面上的電場力克服其表面張力時，在電場

9、力作用下噴射形成一股穩(wěn)定的流體。射流拉伸成直線至一定距離，然后彎曲，進(jìn)而呈循環(huán)形或螺旋形路徑行走。靜電力使射流伸長數(shù)千倍甚至數(shù)萬倍，變得非常細(xì)。最后溶劑揮發(fā)或熔體固化，帶電流體在電場力作用下被收集裝置收集。產(chǎn)物是由納米級纖維組成的類似非織造狀的纖維網(wǎng)、膜(氈)。使用正常的電紡裝置，只能生產(chǎn)同種材料的靜電紡纖維。單一材料靜電紡制得的納米纖維存在缺乏表面特異性、力學(xué)性能差、降解速率難以控制等缺點(diǎn)。目前，采用靜電紡絲制備復(fù)合納米纖維的研究越來

10、越引起關(guān)注。</p><p>　　2.2靜電紡構(gòu)建復(fù)合納米纖維的方法[13]</p><p>　　共混靜電紡絲就是分別制備兩種聚合物紡絲液，然后將它們按一定比例混合或者將兩種聚合物共同溶解在同—溶劑里，再用傳統(tǒng)的靜電紡絲裝置制備共混納米纖維的方法。通過共混制得的納米纖維材料含有多種成分，該方法可以改善纖維的多種物理化學(xué)性能，但成分的分布難以控制，屬于隨機(jī)分布狀態(tài)。</p>&

11、lt;p>　　多噴頭靜電紡絲就是將不同的聚合物分別放置在不同的噴絲嘴里，并且收集滾筒能高速往復(fù)移動，最終得到不同聚合物的混合纖維。用多噴頭靜電紡絲制得的混合納米纖維能很好地均勻結(jié)合在一起，而且使用多噴嘴可以提高靜電紡絲的生產(chǎn)率，因而加快了靜電紡絲的工業(yè)化進(jìn)展。使用該裝置能夠獲得產(chǎn)率較高且均勻的納米纖維網(wǎng)，然而噴頭之間電極電場的相互干擾。引起電場的變化，有待進(jìn)一步控制。</p><p>　　多層法就是依次將不

12、同聚合物材料進(jìn)行靜電紡絲，這些材料一層一層地沉積在收集網(wǎng)上，形成納米纖維氈。Kidoaki等最近提出了多層電紡和混合電紡的概念。在多層電紡中，I型膠原、苯乙烯化明膠和聚氨酯依次沉積到同一收集網(wǎng)上，層層疊加，最終得到了具有三層結(jié)構(gòu)的纖維膜。在混合電紡中，聚氨酯和聚氧化乙烯分別從兩個噴嘴同時沉積到—個高速旋轉(zhuǎn)并作水平運(yùn)動的接收輥上，可以獲得兩種材料交叉編織的纖維復(fù)合膜。這種制備納米纖維的方法有助于提高支架材料的孔徑及孔隙率，便于細(xì)胞的生長和

13、遷移，制備的纖維膜可用于人工血管支架。</p><p>　　同軸靜電紡絲技術(shù)就是用同軸復(fù)合噴嘴來代替單一噴嘴，產(chǎn)生同軸射流而進(jìn)行靜電紡絲的一種方法。最后得到的皮芯型纖維具有兩種聚合物的性能，若只在外層中加入紡絲液，則最后得到中空的管狀纖維。近年來，將同軸皮芯復(fù)合納米纖維和皮芯型納米纖維用于藥物緩釋體系、組織工程支架構(gòu)建、載藥醫(yī)用敷料和縫合線等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用引起了人們的注意。該方法可以根據(jù)需要制備不同結(jié)構(gòu)的納米

14、纖維，同時可以控制不同成分的分布，使兩種成分分別分布在外層和內(nèi)層，應(yīng)用前景廣泛。</p><p>　　共混復(fù)合靜電紡絲就是利用多層電紡法和共混電紡法，用傳統(tǒng)的靜電紡絲裝置先制備一種納米纖維，然后在其上面再紡制另一種共混納米纖維，從而形成共混復(fù)合納米纖維。采用靜電紡絲法分層構(gòu)建PLA。先靜電紡PLA纖維，然后噴射不同比例的絲素一明膠共混紡絲液，形成的絲素。明膠共混納米纖維沉積在PLA纖維上，形成PLA/衫絲素--明

15、膠納米纖維材料。</p><p>　　2.3 聚合物纖維制備方法[14]</p><p>　　利用靜電紡絲法不僅可將單一聚合物紡成纖維，而且還可通過靜電紡制備出聚合物復(fù)合材料納米纖維。最近研究報(bào)道了一種拓展的靜電紡絲技術(shù)，即將聚合物溶液與低分子質(zhì)量金屬化合物(或原位生成的低分子質(zhì)量金屬化合物)均勻混合后，先利用靜電紡絲制備出以聚合物為載體的納米纖維，然后用高溫?zé)Y(jié)去除聚合物載體制備出陶瓷或

16、金屬納米纖維[15]。Tomer[16]等將丙基鈦酸酯與PVP／乙醇溶液均勻混合后，利用靜電紡絲法制備出以PVP為載體的納米纖維，然后在空氣中熱裂解去除PVP載體，制備出二氧化鈦納米纖維。靜電紡絲前在混合溶液中加入氧化鉺粒子，就可以制備出鉺／二氧化鈦納米纖維，在光電轉(zhuǎn)化領(lǐng)域有重要應(yīng)用價(jià)值。劉艷等[17]以水作為溶劑、聚乙烯醇作為絡(luò)合劑與醋酸鋅反應(yīng)制得聚乙烯醇／醋酸鋅前驅(qū)體，采用靜電紡絲法制得聚乙烯醇／醋酸鋅復(fù)合纖維，經(jīng)煅燒后得到直徑為1

17、00nm的純氧化鋅無機(jī)納米纖維。</p><p>　　聚丙烯腈原絲紡絲技術(shù)</p><p>　　PAN原絲的紡絲方法主要有熔融紡絲、干法紡絲、濕法紡絲、干濕法紡絲等方法。</p><p>　　熔融紡絲是指聚丙烯腈熔體紡絲。這種紡絲方法有很大的缺陷，即聚丙烯腈分解溫度低于熔點(diǎn)，要實(shí)現(xiàn)聚丙烯腈的熔體熔融紡絲對聚丙烯腈進(jìn)行改性處理。由于改性會增加工作的難度，并且使成本上升

18、，所以一般不采用熔融紡絲。</p><p>　　干法紡絲是將紡絲原液經(jīng)噴絲板從噴絲孔擠出于高溫的氣體氛圍中，使溶劑蒸發(fā)濃縮、固化的方法，牽引速度受溶劑的蒸發(fā)速度制約。干法紡絲溶液不易洗凈，在之后的預(yù)氧化、碳化過程中，溶劑揮發(fā)會造成纖維內(nèi)部缺陷，引起毛絲、斷絲等問題，嚴(yán)重影響碳纖維的性能。</p><p>　　濕法紡絲是紡絲原液從噴絲孔擠出之后直接進(jìn)入凝固浴，經(jīng)一級或多級凝固，形成具有一定強(qiáng)

19、度的凝固絲。目前國內(nèi)多采用濕法紡絲，控制適宜的凝固速度和拉伸方法等可以得到高強(qiáng)度的PAN原絲。</p><p>　　干濕法紡絲又稱干噴濕紡，是近年來發(fā)展起來的一種新型的紡絲方法，以應(yīng)用于工業(yè)化。日本東麗公司的高性能碳纖維T700和T1000系列可能是采用干噴濕紡制備PAN原絲。紡絲原液經(jīng)噴絲板噴出之后先經(jīng)過一小段(3～10cm)空氣層，然后再進(jìn)入凝固浴。干噴濕紡兼具濕法紡絲與干法紡絲的優(yōu)點(diǎn)，是一種很有發(fā)展?jié)摿Φ募?/p>

20、絲方法[18]。</p><p>　　三、課題的研究內(nèi)容及擬采取的研究方法、技術(shù)路線及研究難點(diǎn)，預(yù)期達(dá)到的目標(biāo)</p><p><b>　　3.1 研究內(nèi)容</b></p><p>　　用靜電紡絲法制備聚丙烯腈基碳纖維，并對纖維膜的顯微結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能及其影響因素進(jìn)行研究。</p><p><b>　　3.2 研

21、究方法</b></p><p>　　首先進(jìn)行與課題有關(guān)的文獻(xiàn)檢索，在大量文獻(xiàn)分析研究的基礎(chǔ)上制定研究課題方案，并根據(jù)研究方案確定試驗(yàn)方法和步驟，最終完成一篇質(zhì)量較高的畢業(yè)設(shè)計(jì)論文。</p><p><b>　　3.3 技術(shù)路線</b></p><p>　　相關(guān)文獻(xiàn)資料查閱、分析研究—→制定研究方案—→聚丙烯腈紡絲法最優(yōu)參數(shù)的確定—→

22、靜電紡絲法制備聚丙烯腈基納米纖維—→掃描電鏡觀察聚丙烯腈基納米纖維的顯微結(jié)構(gòu)—→聚丙烯腈基納米纖維的預(yù)氧化和碳化—→測試聚丙烯腈基納米碳纖維的力學(xué)性能—→分析纖維的顯微結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能及其影響因素。</p><p><b>　　3.4 研究難點(diǎn)</b></p><p>　　在現(xiàn)有文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，確定紡絲液的最佳配比，最優(yōu)電壓及收集距離是研究的難點(diǎn)。預(yù)氧化過程中最佳氧氣含量

23、的確定是研究難點(diǎn)，此外，單根碳纖維的力學(xué)性能測定也是研究難點(diǎn)。</p><p><b>　　3.5 預(yù)期目標(biāo)</b></p><p>　　綜合運(yùn)用所學(xué)的基礎(chǔ)理論、專業(yè)知識和基本技能，設(shè)計(jì)一套制備聚丙烯腈基納米碳纖維的最佳參數(shù)，并成功制得聚丙烯腈納米碳纖維。</p><p>　　四、論文詳細(xì)工作進(jìn)度和安排</p><p>

24、　　2010.10.19—2011.1.10 查閱文獻(xiàn)，翻譯英文，寫出文獻(xiàn)綜述，完成開題報(bào)告。</p><p>　　2011.1.11—2011.1.25 確定實(shí)驗(yàn)方案，準(zhǔn)備原材料。</p><p>　　2011.1.26—2011.3.31 完成實(shí)驗(yàn)、測試工作，并做好記錄。</p><p>　　2011.4.1—2011.4.14 完成論文初稿。</p

25、><p>　　2011.4.15—2011.5.4 對論文進(jìn)行修改，并做相關(guān)的補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)。</p><p>　　2011.5.4—2011.5.12 完成對論文的修改，并最后定稿。</p><p><b>　　五、主要參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 賀福．碳纖維及其應(yīng)用技術(shù)[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004&

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28、 張家杰．國內(nèi)外碳纖維生產(chǎn)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]．化工技術(shù)經(jīng)濟(jì)，2005，23(4)：12-19</p><p>　　[7] 賀福，趙建國，王潤娥．碳纖維工業(yè)的長足發(fā)展[J]．高科技纖維與應(yīng)用，2000，25(4)：</p><p><b>　　9-13</b></p><p>　　[8] 趙稼祥．大絲束碳纖維及其應(yīng)用[J]．纖維復(fù)合材料，199

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31、 王磊，張立群，田明，靜電紡絲聚合物纖維的研究進(jìn)展[C]．現(xiàn)代化工．2009．</p><p>　　[15] Chronakis I S.Novel nanocomposites and nanoceramics based on polymer nanofibers using electrospinning process：A review[J]．Journal of Materials Processing

32、 Technology，2005，167：283-193．</p><p>　　[16] Tomer V．Teye-Mensah R，Tokash J C，et al．Selective emitters for thermophotovoltaics：erbimnedified electrospun titania nanofibers[J]．Solar</p><p>　　Energ

33、y Materials and Solar Cells，2005．85：477－488．</p><p>　　[17] 劉艷，夏寧，陳耀等，靜電紡絲法制備ZnO納米纖維及其光催化性能的研究[J]．福建師范大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，24(1)：66—69．</p><p>　　[18] 陳方泉，陳惠芳，潘鼎．干濕法高性能聚丙烯腈基碳纖維原絲的制備[C]．化工新型材料,2003．</p>