静电纺丝制备轻质碳纤维吸收剂的研究

论文摘要

采用静电纺丝法并通过热处理制备了超细实心碳纤维、中空碳纤维和C/SiO2同轴复合纤维,研究了纺丝工艺条件和纺丝溶液性质对纤维形貌的影响,并首次研究了静电纺丝纤维的吸波性能。研究发现,超细实心碳纤维的直径减小主要发生在不稳定拉伸阶段,随着纺丝电压的升高、溶液流速的减小以及溶液浓度的减小,纤维的直径减小。溶液电导率对纤维的直径影响最大,向溶液中加入重量百分比5%的NaCl,得到的纤维直径由1.7μm减小到0.4μm。纺丝环境温度的升高能提高溶剂的挥发速度,加速纤维的固化,防止纤维的粘结。溶液浓度和溶液注入速度的稳定性对纤维中珠节物的数量有较大影响,随着溶液浓度的升高,纤维中珠节物明显减少,溶液注入速率稳定性的提高有利于减少纤维中的珠节物。采用同轴静电纺丝法制备了PAN/SiO2同轴复合纤维,经过热处理得到C/SiO2同轴复合纤维。采用SEM,FTIR,XRD表征了纤维的截面形貌和涂层结构,表明在碳纤维表面成功制备厚度约20nm的SiO2涂层,热重分析表明纤维的抗氧化性能有所提高。以PAN为壳层,甲基硅油为芯层,采用同轴静电纺丝技术制备了PAN/硅油同轴复合纤维,经过热处理得到中空碳纤维。研究了同轴喷丝头对同轴射流形成的影响,当内针头伸出距离Zp与外针头半径的一半相当时,得到同轴射流。壳芯溶液流速比Vin/Vout对中空结构的形成有较大影响,当内外溶液流速相当时,得到的纤维呈中空结构。中空纤维壁厚不均匀,壳层溶液电导率增大,中空纤维壁厚的最小值减小。中空纤维密度较实心碳纤维有较大的降低,实心碳纤维密度约1.6g/cm3,而中空碳纤维密度为0.64g/cm3。采用网络矢量分析仪研究了三种纤维的介电常数,结果表明,随着静电纺丝实心碳纤维直径的减小,纤维/石蜡复合材料的介电常数增大;同轴复合纤维堆积电导率较小,与未涂层实心碳纤维相比,同轴复合纤维介电常数大大降低。中空碳纤维的介电常数实部比实心碳纤维高。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 轻质雷达吸收剂的研究现状及制备方法
• 1.1.1 雷达吸波材料的概念、分类及研究现状
• 1.1.2 轻质吸收剂的研究现状及发展方向
• 1.1.3 轻质碳纤维吸收剂的制备方法
• 1.2 静电纺丝原理及发展前景
• 1.2.1 实心纤维静电纺丝原理
• 1.2.2 同轴静电纺丝原理及同轴射流形成条件
• 1.2.3 静电纺丝的研究现状及发展前景
• 1.3 课题研究的内容和意义
• 第二章 实验方法
• 2.1 主要试剂与仪器
• 2.2 实验方法
• 2.2.1 实验工艺路线图
• 2.2.2 PAN 溶液的合成及标定
• 2.2.3 静电纺丝制备实心碳纤维
• 2.2.4 同轴静电纺丝制备中空碳纤维原丝
• 2 溶胶的制备'>2.2.5 SiO₂溶胶的制备
• 2 同轴复合纤维'>2.2.6 同轴静电纺丝制备PAN/SiO₂同轴复合纤维
• 2.2.7 静电纺丝碳纤维的预氧化、炭化
• 2.3 测试与表征
• 2.3.1 纺丝溶液及纤维电导率表征
• 2.3.2 静电纺丝纤维形貌分析及表面能谱
• 2.3.3 静电纺丝纤维直径的测定
• 2.3.4 静电纺丝纤维物相分析
• 2.3.5 热重分析
• 2.3.6 纤维电磁参数测试
• 2.3.7 纤维密度测试
• 第三章 结果与讨论
• 3.1 静电纺丝制备实心碳纤维
• 3.1.1 PAN 溶液的合成
• 3.1.2 实验装置的改进
• 3.1.3 纺丝工艺及溶液性质对实心纤维直径的影响
• 3.1.4 纤维中球状珠节物的的形成及影响因素
• 3.1.5 预氧化、炭化对纤维结构和形貌的影响
• 3.1.6 静电纺丝实心碳纤维介电常数的研究
• 2 同轴复合纤维'>3.2 静电纺丝制备C/SiO₂同轴复合纤维
• 2 溶胶性质对纺丝的影响'>3.2.1 SiO₂溶胶性质对纺丝的影响
• 2 同轴复合纤维的结构表征'>3.2.2 C/SiO₂同轴复合纤维的结构表征
• 2 涂层对纤维电导率的影响'>3.2.3 SiO₂涂层对纤维电导率的影响
• 2 同轴复合纤维介电常数的研究'>3.2.4 C/SiO₂同轴复合纤维介电常数的研究
• 2 涂层对纤维抗氧化性能的影响'>3.2.5 SiO₂涂层对纤维抗氧化性能的影响
• 3.3 静电纺丝制备PAN 基中空碳纤维
• 3.3.1 同轴喷丝头对同轴结构形成的影响
• 3.3.2 预氧化、炭化对纤维形貌的影响
• 3.3.3 壳层溶液电导率对中空纤维形貌的影响
• 3.3.4 壳芯溶液流速比对纤维中空结构的影响
• 3.3.5 中空碳纤维密度的计算
• 3.3.6 静电纺丝中空碳纤维介电常数的研究
• 第四章 结论与展望
• 4.1 结论
• 4.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 发表论文情况