碳纳米管/聚丙烯腈碳纤维的制备及其结构和性能的研究

论文摘要

碳纤维(Carbon Fiber简称CF)是一种具有高强度,高模量,耐高温,耐腐蚀等一系列优异性能的新型材料。作为先进复合材料的增强纤维,其已被广泛地应用在各个领域。聚丙烯腈(PAN)纤维作为较早实现工业化的合成纤维之一,聚丙烯腈原丝能制得高性能的碳纤维,其生产工艺较其它方法简单,产品的力学性能良好,因而已成为生产碳纤维的主要原丝。聚丙烯腈原丝的结构和性能直接影响到最终的碳纤维的质量。本论文通过碳纳米管(MWNT)改性聚丙烯腈原丝,以提高聚丙烯腈原丝的力学性能。本文选用PAN为基体,二甲亚砜(DMSO)为溶剂,以多壁碳纳米管(MWNT)为填充组分,制备MWNT/PAN复合原丝,并进行预氧化和碳化,获得了MWNT/PAN原丝为基体的碳纤维初步研究结果,主要开展了以下几个方面的研究工作:1.采用混酸处理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中的分散性。光学显微镜照片表明纯化后的碳管在原液中的分散性良好。2.采用溶液共混法制备了聚丙烯腈/碳纳米管复合溶液,并对复合溶液进行了流变和可纺性测试及分析。结果表明,MWNT/PAN复合原液呈现典型的切力变稀现象,然而在一定的浓度和剪切速率下,随着MWNT量的增加,体系的E_η减小。当剪切速率较大,纺丝溶液MWNT含量较大时,E_η值很小,溶液粘度对温度不敏感。因此,纺丝过程中温度的波动对纺丝的稳定性影响较小。这进一步说明溶液中加入适量的MWNT不影响纺丝的稳定性。3.采用干湿法纺丝制备了碳纳米管/聚丙烯腈原丝,对复合纤维的形貌、结构与性能进行了详细的研究,MWNT的添加改善了纤维的力学性能,断裂强度明显提高,断裂伸长率下降,碳纳米管/聚丙烯腈复合纤维的结晶和取向度提高,PAN的晶体结构没有改变。总体来说,碳纳米管的添加量为1%时,纤维综合性能最好。4.对MWNT/PAN复合纤维进行了预氧化和碳化处理,通过正交实验法对预氧化和碳化工艺进行初步研究,得到了MWNT/PAN复合碳纤维的最佳预氧化碳化工艺条件,制备出MWNT改性的碳纤维,通过SEM观察其形貌结构,并对制备的碳纤维力学性能进行测试。结果显示,MWNT的添加提高了碳纤维的力学性能,对断裂伸长率没有影响。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 前言
• 1.1 聚丙烯腈及碳纤维简介
• 1.2 国内外碳纳米管/聚丙烯腈的发展状况
• 1.3 碳纳米管/聚丙烯腈纺丝原液的制备工艺及发展现状
• 1.3.1 碳纳米管对聚丙烯腈原液制备过程的影响
• 1.4 碳纳米管/聚丙烯腈原丝制备工艺的发展现状
• 1.4.1 聚丙烯腈原丝制备过程
• 1.4.2 制备过程中PAN原丝力学性能影响因素的分析
• 1.4.3 添加碳纳米管对PAN原丝的影响的因素分析
• 1.5 碳纳米管在碳纤维中的研究现状
• 1.6 实验中的难点和问题
• 1.7 课题的目的及意义
• 1.8 课题的研究内容及创新点
• 参考文献
• 第二章 碳纳米管/聚丙烯腈原液的制备和性质
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 原材料
• 2.2.2 碳纳米管/聚丙烯腈复合溶液的制备
• 2.3 测试和表征
• 2.4 结果与讨论
• 2.4.1 碳纳米管分散性的表征
• 2.4.2 复合溶液流变学性质
• 2.4.3 MWNT的添加量对粘流活化温度的影响
• 2.4.4 MWNT/PAN复合溶液的非牛顿指数
• 2.4.5 MWNT对PAN原液可纺性的影响
• 2.5 结论
• 参考文献
• 第三章 MWNT/PAN复合纤维的制备和性能表征
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 原材料
• 3.2.2 碳纳米管/聚丙烯腈原液的制备
• 3.2.3 碳纳米管/聚丙烯腈原丝的制备
• 3.2.4 测试和表征
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 不同组分复合纤维的红外光谱图
• 3.3.2 复合纤维形态结构
• 3.3.3 MWNT对复合纤维力学性能的影响
• 3.3.4 MWNT对初生纤维膨润度的影响
• 3.3.5 复合纤维的结晶性能分析
• 3.3.6 复合纤维的取向
• 3.4 结论
• 参考文献
• 第四章 MWNT/PAN复合纤维的预氧化和碳化工艺初探
• 4.1 引言
• 4.2 复合碳纤维的制备
• 4.2.1 碳纤维的制备工艺流程
• 4.2.2 实验设备
• 4.2.3 工艺参数
• 4.2.4 预氧化处理
• 4.2.5 碳化处理
• 4.2.6 氧化碳化的工艺条件
• 4.3 测试和表征
• 4.4 结果与讨论
• 4.4.1 碳纤维SEM分析
• 4.4.2 复合碳纤维力学性能分析
• 4.5 结论
• 参考文献
• 第五章 结论和展望
• 东华大学在校期间发表学术论文目录
• 致谢