高强度静电纺聚丙烯腈基纳米碳纤维毡的研制

论文摘要

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。由于超细碳纤维不仅具有碳纤维本身结构上的特点而且具有纳米纤维的超细直径,如今在作为催化剂载体,锂离子电池阳极材料、双电层电容器电极、场电子发射材料以及增强材料等领域极具应用价值。本工作旨在通过静电纺丝制备纳米纤维的方法,并利用规则化收集方式得到纤维排列有序规整的电纺PAN纤维毡,之后通过对PAN纤维毡施加一定的张力进行静电纺丝后的拉伸后处理,再经过预氧化和碳化的过程,最终得到高强度的纤维直径在纳米量级纤维排列有序度较高的均匀的静电纺聚丙烯腈基纳米碳纤维毡。(1)作为静电纺PAN纳米碳纤维毡的前驱体,PAN电纺纤维毡的形态及性能将在很大程度上影响碳纳米纤维毡的性能。在对PAN进行初步静电纺丝实验中,确定了PAN静电纺丝的溶液浓度以及纺丝参数。利用高速滚筒收集装置,改变滚筒的速率,制备了纤维排列有序度不同的PAN电纺纤维毡。通过扫描电子显微镜(SEM)照片的分析,以及纤维排列有序度值γ的计算,考量了不同的收集滚筒速率与纤维排列有序度及PAN电纺纤维毡力学性能的关系。最终在906m/min的滚筒速率下收集到纤维排列有序度最高、力学强度最大的PAN电纺纤维毡,拉伸强度为8.18MPa。(2)对PAN电纺纤维毡进行预氧化处理。通过对在不同预氧化温度下处理得到的PAN电纺纤维的扫描差热分析(DSC),由不同预氧化温度下样品在温度升高时的放热量,计算得到PAN纤维在预氧化过程中分子结构的环化度值,确定氧化完全的最佳温度为280℃。在不同的滚筒速率下得到的PAN电纺纤维毡在经过预氧化和碳化处理后得到最终的纳米碳纤维毡样品。通过扫描电子显微镜照片(SEM)的分析,相较于PAN电纺纤维毡,碳化后的样品直径明显变小,最终碳纤维毡的纤维平均值直径在865nm,纤维排列的有序度没有明显的改变。纤维排列有序度不同的碳纳米纤维毡的力学性能的测试结果显示,随着纤维排列有序度的升高,碳纳米纤维毡的力学拉伸强度增大了,在906m/min的滚筒速率下制备的PAN碳纳米纤维毡的拉伸强度为101.74 MPa。(3)规则化收集已经能够制备纤维排列具有一定有序度和平行度的PAN电纺纤维毡,在静电纺丝过程之后,对其施加张力进行进一步的拉伸后处理。通过扫描电子显微镜(SEM)的分析,经过拉伸后处理的纤维毡中纤维的直径变小,纤维排列的有序度再次提高,当施加的张力为1648KPa时,纤维排列的有序度值γ接近于1,即纤维排列近似于完全平行。通过对拉伸后的PAN电纺纤维毡进行力学性能的测试,随着拉伸后处理中施加张力的增大,纤维毡的拉伸强度增大,达到最大值28.89 MPa。对样品进行预氧化和碳化处理后,得到经过拉伸后处理的PAN电纺碳纳米纤维毡,进行拉伸力学性能的测试,发现随着拉伸后处理时施加的张力的增加,碳纳米纤维毡的拉伸强度明显提高,当收集滚筒的速率为500m/min,拉伸后处理中施加的张力为1648KPa时,最终制备的高有序度的PAN电纺碳纳米纤维的拉伸强度为184.47MPa。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 纳米碳纤维的制备方法
• 1.1.1 化学气相沉积法法
• 1.1.2 静电纺丝法
• 1.1.3 利用静电纺丝方法制备纳米碳纤维的优势
• 1.2 纳米碳纤维的应用
• 1.2.1 储氢
• 1.2.2 纳米碳纤维在电子科学领域中的应用
• 1.3 PAN的静电纺丝
• 1.3.1 PAN静电纺丝的参数控制
• 1.3.2 PAN电纺纤维的收集方法
• 1.3.3 PAN/CNT静电纺丝
• 1.3.4 单根PAN电纺纤维的相关研究
• 1.4 以PAN电纺材料为基体的纳米碳纤维
• 1.4.1 活性和多孔纳米碳纤维的制备和应用表征
• 1.4.2 PAN基纳米碳纤维的力学性能
• 1.4.3 PAN氧化和碳化条件的控制以及对性能和结构造成的影响
• 1.5 研究意义及主要研究内容
• 第二章 纤维排列高有序度的PAN电纺纤维毡
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 PAN静电纺丝溶液配比与纺丝参数的确定
• 2.2.2 纤维排列不同有序度的PAN电纺纤维毡的制备
• 2.2.3 纤维排列不同有序度的PAN电纺纤维毡形貌及性能表征
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 溶液浓度、分散剂添加量及电压对PAN/DMF电纺的影响
• 2.3.2 纤维排列不同有序度的PAN电纺纤维毡表面形态的表征
• 2.4 结论
• 第三章 纤维排列高有序度的PAN电纺碳纤维毡
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 纤维排列不同有序度的PAN电纺纤维毡的制备
• 3.2.2 电纺PAN纤维毡的预氧化温度的确定
• 3.2.3 纤维排列不同有序度度的PAN电纺纤维毡的预氧化处理
• 3.2.4 预氧化后的PAN电纺纤维毡的碳化
• 3.2.5 PAN电纺碳纳米纤维毡的形态及性能表征
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 PAN电纺纤维毡的表面形态直径分布及纤维排列的有序度
• 3.3.2 PAN电纺纤维毡的预氧化温度的确定
• 3.3.3 预氧化及碳化后的PAN电纺纤维毡形貌及纤维直径的变化
• 3.3.4 纤维排列不同有序度的电纺PAN碳纳米纤维毡的力学性能
• 3.4 结论
• 第四章 经拉伸后处理的高强度PAN电纺碳纳米纤维毡
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 PAN电纺纤维毡的制备
• 4.2.2 PAN电纺纤维毡的拉伸后处理
• 4.2.3 PAN电纺纤维毡拉伸后处理的预氧化与碳化
• 4.2.4 经过拉伸后处理的碳纳米纤维毡形态及性能的表征
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 经过拉伸后处理的PAN电纺纤维毡的形态及性能的变化
• 4.3.2 经过拉伸后处理的PAN电纺碳纤维毡的形态及性能的变化
• 4.4 结论
• 第五章 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文目录
• 致谢