超细碳纤维制备及其隔热性能研究

论文摘要

超细碳纤维不仅具有力学强度高、密度低、耐高温的特点,而且具有十分突出的红外辐射遮蔽性能,极有可能成为新一代耐超高温高性能隔热材料。另外,以超细碳纤维增强气凝胶,使气凝胶兼具较高的力学性能和优异的高温隔热性能,在推动空间科技和军事装备技术发展上具有十分重要的意义。本文以聚丙烯腈（Polyacrylnitrile,PAN）为原料,将其溶于N,N-二甲基甲酰胺（N,N-dimethylformamide,DMF）或者二甲亚砜（dimethylsulfoxide,DMSO）中,配制成纺丝溶液,通过单针头和多针头静电纺丝制备出超细PAN纤维。PAN纤维经预处理后进行空气预氧化和高温炭化,最后得到直径为220nm1μm、长径比大于5000的超细碳纤维,并将其作为增强体和红外辐射遮蔽剂制备了SiO2气凝胶复合材料。通过FT-IR、SEM、XRD、Raman和TGA-DSC分析等手段,考察了PAN浓度等制备工艺参数对PAN原纤维直径和形貌的影响,设计了合适的静电纺丝工艺,研究了升温制度对预氧化纤维和超细碳纤维的形貌、微观结构和力学性能的影响规律,确定了一条合适的超细碳纤维制备工艺路线,并初步研究了超细碳纤维毡及其增强的SiO2气凝胶复合材料的隔热性能。结果表明,PAN浓度对纤维直径的影响最大,电压、接收距离和针头直径次之,而供料速率和环境温度对纤维直径的影响最小。合适的纺丝工艺为:PAN浓度为1317wt%;电压为1525kV;接收距离为1520cm;供料速率为1020μL/min;温度为3040℃;针头直径为0.80.9mm。在预氧化前,将PAN纤维置于50℃干燥箱中或进行超声水洗处理。结果表明,PAN纤维的预处理和施加张力对纤维的预氧化程度影响不大,但对预氧化丝的力学性能有较大影响。经50℃烘干处理后制备的预氧化纤维的力学强度比不经处理直接预氧化所得预氧化纤维的力学性能提高了30%左右。随张力的增大,纤维力学强度逐渐增大,张力大小为150N时,制备的纤维的拉伸强度最高为2.0cN/tex。280℃时,预氧化丝的环化度为91.8%,纤维的预氧化比较完全。升温速率为5℃/min时,纤维的拉伸强度较高,为2.42cN/tex。合适的预氧化工艺参数是:PAN纤维先在50℃干燥箱中干燥预处理,预氧化温度为260280℃,升温速率5℃/ min,张力大小为100150N,保温时间为1h。随烧结温度升高,纤维炭化程度逐渐增大。当烧结温度为1200℃时,纤维的炭化程度最高,此时纤维中C-N或C=N键基本消失,RI值最小为0.87,晶粒尺寸大小为5.06nm。烧结温度为1000℃以上时,碳纤维中的碳开始结晶。超细碳纤维毡的比消光系数均大于700m2/kg,明显高于常规碳纤维毡（直径57μm）、玄武岩纤维、超细高硅氧纤维和工业硅酸铝纤维的消光系数（均小于100m2/kg）,表明超细碳纤维具有突出的遮蔽红外辐射能力。无论纤维直径大小,在空气中,超细碳纤维毡的热导率随温度升高逐渐增大。所制备纤维直径为220nm1μm的纤维毡热导率在室温下为0.0120.024W/m·K , 300℃时为0.0540.153W/m·K,远低于常规碳纤维毡在25℃时的热导率（0.073W/m·K）和在300℃时热导率（0.520W/m·K）。在100℃到300℃之间,超细碳纤维增强的SiO2气凝胶的热导率随温度升高而增大。纤维直径1μm的超细碳纤维增强的SiO2气凝胶的热导率比纤维直径373nm的超细碳纤维增强的SiO2气凝胶低。纤维直径为1μm的超细碳纤维增强的SiO2气凝胶在纤维表观密度为0.125g/cm3,温度100℃时的热导率最低为0.022W/m·K。与超细矿物纤维增强SiO2气凝胶复合材料相比,相同纤维表观密度条件下,温度低于200℃时,超细矿物纤维增强的SiO2气凝胶的热导率更低,但当温度高于200℃时,直径为1μm的超细碳纤维增强的SiO2气凝胶的热导率更低,说明超细碳纤维增强的SiO2气凝胶的高温隔热性能更加优异。

论文目录

• 表目录
• 图目录
• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 隔热材料简介
• 1.1.1 隔热材料的应用
• 1.1.2 隔热材料的分类
• 1.1.3 隔热材料的隔热机理
• 1.1.4 纤维隔热材料研究现状
• 1.2 超细纤维与静电纺丝简介
• 1.2.1 静电纺丝的基本原理
• 1.2.2 静电纺丝工艺的影响因素
• 1.2.3 静电纺丝法制备超细纤维研究现状
• 1.3 超细碳纤维
• 1.3.1 超细碳纤维的发展
• 1.3.2 超细碳纤维的制备方法
• 1.3.3 超细碳纤维的应用
• 1.4 课题研究背景及主要研究内容
• 1.4.1 课题研究背景
• 1.4.2 课题的主要研究内容
• 第二章 实验与表征
• 2.1 实验部分
• 2.1.1 原料试剂和主要设备
• 2.1.2 研究技术路线
• 2.1.3 纺丝液的配制
• 2.1.4 静电纺丝
• 2.1.5 PAN 纤维的预处理
• 2.1.6 空气预氧化
• 2.1.7 高温炭化
• 2 气凝胶的制备'>2.1.8 超细碳纤维复合SiO₂气凝胶的制备
• 2.2 性能表征
• 2.2.1 溶剂粘度的测试
• 2.2.2 纤维直径和形貌测试
• 2.2.3 组成及结构分析
• 2.2.4 性能测试
• 第三章 结果与讨论
• 3.1 溶剂的选择及纺丝液粘度与PAN 浓度的关系
• 3.1.1 PAN 结构分析
• 3.1.2 溶剂的选择
• 3.1.3 纺丝溶液粘度与浓度的关系
• 3.2 静电纺丝工艺研究
• 3.2.1 溶液浓度对纤维形貌和直径的影响
• 3.2.2 电压和接收距离对纤维直径的影响
• 3.2.3 针头直径对纤维直径的影响
• 3.2.4 供料速率对纤维直径的影响
• 3.2.5 环境温度对纤维直径的影响
• 3.2.6 多针头静电纺丝研究
• 3.2.7 小结
• 3.3 PAN 纤维的空气预氧化工艺
• 3.3.1 PAN 纤维的预处理
• 3.3.2 升温制度对预氧化的影响
• 3.3.3 施加张力对预氧化的影响
• 3.3.4 小结
• 3.4 超细碳纤维的形貌和结构表征
• 3.4.1 超细碳纤维的形貌和结构分析
• 3.4.2 小结
• 3.5 超细碳纤维毡的隔热性能
• 3.5.1 纤维直径和结构对纤维毡比消光系数的影响
• 3.5.2 纤维直径和结构对纤维热导率的影响
• 3.5.3 小结
• 2 气凝胶的隔热性能'>3.6 超细碳纤维增强SiO₂气凝胶的隔热性能
• 2 气凝胶复合材料的制备'>3.6.1 SiO₂气凝胶复合材料的制备
• 2 气凝胶复合材料的热导率'>3.6.2 超细碳纤维增强SiO₂气凝胶复合材料的热导率
• 第四章 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果