聚丙烯腈基中空超细碳纤维的制备及形貌研究

论文摘要

在纤维工业的发展中,纤维超细化是一个重要发展方向。静电纺丝利用高分子溶液或熔体,在高压静电场条件下,制备亚微米或纳米纤维,成为制备超细纤维非常重要而可行的方法。静电纺丝制备的纤维或膜由于具有非常高的比表面积、孔隙率,非常小的纤维直径、孔隙尺寸,使其在医学修复、过滤、组织支架、药物给送系统、高性能电池、催化、传感器等方面具有巨大的应用前景。而同轴静电纺丝制备的中空超细碳纤维不仅具有气相生长碳纤维所具有的特性,而且在结构、性能和应用方面又与纳米碳管相似,具有更高的强度及模量、热稳定性、化学活性、导电性等特点,可望用在锂离子二次电池阳极材料、双电层电容器电极、高效吸附剂、结构增强材料等方面。本论文采用同轴静电纺丝技术,通过选取不同的电纺溶液和控制电纺参数制备出皮芯复合的超细纤维,再经过合适的浸泡、预氧化和碳化工艺,最终得到形貌规整的中空超细碳纤维。论文首先结合国外同轴静电纺丝技术,自行设计了同轴静电纺丝装置及其工艺流程,确定可行的制备纳米中空纤维的方法。测试了一系列所用溶液的粘度,导电率,表面张力等,探索适合同轴静电纺丝工艺的内液和外液。采用N,N二甲基甲酰胺(DMF)作溶剂,聚丙烯腈(PAN)和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)分别作为外液和内液溶质,通过同轴静电纺丝的方法制备了PAN/PVP皮芯超细纤维。将PAN/PVP皮芯超细纤维放入水中浸泡,除去PVP芯层组分,再经过预氧化和碳化工艺制备出中空碳超细纤维。本论文对于同轴静电纺制备中空结构超细纤维最佳工艺的确定,主要从溶液性质、内外毛细管孔径、电压、接收距离、外液和内液的流速比进行了讨论。通过扫描电镜(SEM)分析,讨论了这些参数对电纺纤维形貌的影响,找到了最优工艺参数。当外液PAN_b浓度为16%,内液PVP浓度30%的纺丝溶液,内外针头孔径分别是Φ_内=0.8mm和Φ_外=1.6mm,电压在11kV,接收距离为15cm,外液和内液流速分别为50μl/min和25μl/min时,制备了结构规整的皮芯复合超细纤维。去除芯层后,通过扫描电镜测试,可观察到结构规整的中空超细纤维。将结构规整的PAN/PVP皮芯纤维毡通过浸泡处理去除PVP后,再进行纤维的预氧化,研究了预氧化温度和升温速度对预氧化毡的结构和性能的影响,在预氧化速度为5℃/min,预氧化温度为250℃时,得到的预氧化毡预氧化程度较完全。另外,本文以扫描电子显微镜系统的研究了聚丙烯腈超细纤维毡、预氧化毡和超细碳纤维毡的表面形态。通过红外光谱和X射线衍射表征了静电纺丝、预氧化和碳化过程中,超细纤维化学组成和结晶形态的变化。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 超细碳纤维
• 1.1.1 超细碳纤维的结构
• 1.1.2 超细碳纤维制各方法
• 1.2 静电纺丝
• 1.2.1 静电纺丝的基本概念
• 1.2.2 静电纺丝装置
• 1.2.3 静电纺丝理论分析
• 1.2.4 同轴静电纺丝技术
• 1.3 复合结构纳米纤维的应用
• 1.3.1 纳/微米管
• 1.3.2 同轴纳米纤维
• 1.4 本课题研究内容
• 第二章 同轴静电纺丝法制备单中空结构超细纤维
• 2.1 前言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 实验原料
• 2.2.2 实验器材
• 2.2.3 溶液配制
• 2.2.4 同轴静电纺丝制备中空超细纤维
• 2.2.5 测试与表征
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 溶液性质
• 2.3.2 内外毛细管孔径
• 2.3.3 电压
• 2.3.4 接收距离
• 2.3.5 外液和内液的流速比
• 2.4 本章小结
• 第三章 中空超细碳纤维预氧化条件的研究
• 3.1 前言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 静电纺超细纤维毡的准备
• 3.2.2 PAN超细纤维预氧化及碳化设备
• 3.2.3 预氧化工艺
• 3.2.4 性能测试
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 红外分析
• 3.3.2 环化度
• 3.3.3 质量损失率
• 3.3.4 表面颜色
• 3.4 本章小结
• 第四章 静电纺聚丙烯腈超细纤维的碳化
• 4.1 实验部分
• 4.1.1 碳化设备
• 4.1.2 碳化工艺
• 4.1.3 性能测试
• 4.2 结果与讨论
• 4.2.1 碳化对超细纤维表面形态的影响
• 4.2.2 X射线衍射分析
• 4.2.3 红外光谱分析
• 4.3 本章小结
• 第五章 结论及展望
• 5.1 结论
• 5.1.1 同轴静电纺丝最佳工艺条件的确定
• 5.1.2 最佳预氧化温度和预氧化速度
• 5.1.3 预氧化、碳化过程结构组分的变化
• 5.2 展望
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢