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《东华大学》 2008年
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聚丙烯腈/碳纳米管复合纤维的制备及性能研究

董艳  
【摘要】: 聚丙烯腈(PAN)纤维是较早实现工业化的合成纤维之一,以PAN原丝为前驱体制备的碳纤维综合性能最好。应用纳米粒子对PAN纤维进行复合,可以制备改性PAN纤维。目前碳纳米管(CNT)在高分子复合材料领域的研究十分活跃,通过添用碳纳米管改善纤维材料的力学和导电性能,具有很好的研究和应用价值。本文选用PAN为基体,以多壁碳纳米管(MWNT)为填充组分,制备了PAN/MWNT复合纤维,并进行预氧化和碳化制备碳纤维的初步研究,主要开展了以下几个方面的研究工作: 1)采用混酸氧化法对碳纳米管进行纯化,以改善碳纳米管在溶液和聚合物基体里的分散性。FT-IR测试证明氧化处理的碳纳米管表面确实被羰基化,TEM观察到大部分碳管以单管的形式存在,有利于后期与聚合物的复合,改善复合纤维的物理机械性能。氧化处理的碳管在聚丙烯腈稀溶液中有着较好的分散性和稳定性,有利于湿法纺丝的进行。 2)采用溶液共混法制备了聚丙烯腈/碳纳米管复合溶液,对复合溶液的动态流变行为进行了详细分析。结果表明,PAN/MWNT复合溶液呈现典型的切力变稀现象,然而与碳纳米管/聚合物复合材料的熔体特性不同的是,MWNT的加入使得复合溶液的复数粘度η~*、储能模量G'、损耗模量G"出现不同程度的降低;少量MWNT的添加导致粘流活化能E_η升高。这些现象与溶液体系中PAN大分子、碳纳米管、溶剂三者之间的作用力密切相关,动态应变改变了溶液中瞬间形成的拟网络结构,这些结果对湿法纺丝成形具有很好的指导意义。 3)采用湿法纺丝制备了聚丙烯腈/碳纳米管复合纤维,对复合纤维的形态、结构与性能进行了详细研究。通过SEM、TEM观测发现复合纤维表面光滑,碳管在基体分散较为均匀;MWNT的加入改善了纤维的力学性能,断裂强度明显提高,断裂伸长下降,这与DMA测试结果一致;PAN/MWNT复合纤维的结晶度和取向度提高,PAN的晶型结构没有改变,拉伸对结晶度和取向度影响相似;复合纤维的逾渗阈值在3wt%附近。总体上来说,碳管含量为7wt%的复合纤维,拉伸倍数为7时,有着较好的综合性能。 4)对PAN/MWNT复合纤维进行了预氧化和碳化处理,得到MWNT改性的碳纤维,对复合碳纤维的形态结构与力学性能进行的初步探讨。通过SEM观察发现,MWNT的加入使碳化纤维表面微球结构增大,空隙直径有所变大;碳管的加入对预氧化纤维的热稳定性产生一定的影响;适量碳纳米管的加入提高了预氧化纤维和碳化纤维的拉伸强度,这与MWNT对原丝拉伸强度的影响相似。预氧化和碳化纤维均表现出脆性材料的特性,碳管的加入没有对断裂延伸率产生明显影响。
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