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《北京化工大学》 2010年
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静电纺丝法制备聚丙烯腈基纳米碳纤维的研究

孙锋杰  
【摘要】: 纤维增强复合材料在航空航天、军工和能源等领域已得到广泛应用,随着各种先进技术的发展,对于复合材料性能的要求越来越高,需要开发新一代高性能增强纤维。聚丙烯腈(PAN)基碳纤维已经商业化几十年了,在所有商用的先进纤维增强体中,它拥有最高的比强度和比模量。但目前传统碳纤维在结构方面存在各种缺陷,如纤维表面裂纹,孔洞,皮芯结构等,限制了碳纤维性能的提高。因此,要制备更高性能的PAN基碳纤维,最有效的办法就是减少各种结构缺陷。本文通过静电纺丝法制备了平行排列的PAN纳米纤维膜,引入多步热牵伸工艺,经过预氧化和碳化,最终制得连续的高度有序排列且低缺陷的纳米碳纤维,为制备高性能碳纤维探索出了一条新的途径。 论文的主要研究如下: 1.研究了纺丝液浓度对于对纤维形貌的影响,并根据实验结果优化了静电纺丝工艺条件。只有当PAN纺丝液浓度不低于14 wt%时,才能制得形貌均一的PAN纳米纤维。 2.制备PAN纳米纤维膜,研究了PAN原丝、牵伸前后PAN纳米纤维热力学性能。PAN纳米纤维在空气中的环化反应可以分为分子内环化和分子间环化,分子内环化与氧气无关,但分子间环化必须有氧气的参与才能发生,且纳米纤维的牵伸程度越大,越有利于分子间环化反应的进行。 3.引入多步热牵伸的方法,对制备的PAN纳米纤维膜进行热牵伸,研究了牵伸前后纤维的结构与性能的变化。多步热牵伸提高了纤维分子链取向,使纤维平行排列更加有序,纤维直径分布趋于均一化。且有效减少断丝现象,牵伸后纤维直径从537 nm降低到412 nm。 4.优化预氧化工艺,在张力作用下对PAN纳米纤维预氧化,研究不同预氧化温度和时间对纳米纤维结构的影响。随预氧化温度的升高和预氧化时间的延长,PAN分子链逐渐由链式结构转化成梯形环状结构,纤维的耐热性不断增强。280℃下预氧化120 min后,氧元素含量趋于稳定值,表明环化反应已基本完成,纤维被充分预氧化。 5.氮气保护下,在1200℃对预氧化的纳米纤维进行恒应变碳化,制得纳米碳纤维,对制得的纳米碳纤维表面、内部形貌和微观结晶进行了表征。纳米碳纤维高度有序排列、表面光滑,粗糙度为0.249nm,纤维内部结构均一,无皮芯结构缺陷。纤维大部分呈现乱层石墨结构,但部分晶区石墨片层平行排列,晶面间距为0.347 nm,晶层厚度为7-15层不等。 6.在聚醚酰亚胺中加入实验制得的纳米碳纤维,对材料介电损耗没有太大影响,但可以显著提高材料的介电常数,降低材料的电阻率。加入1.0 wt%纳米碳纤维,聚醚酰亚胺的电性能改善效果要优于同样含量的碳纳米管。
【学位授予单位】:北京化工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TQ342.742

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