高性能阵列取向碳纳米管增强PAN纳米纤维

论文摘要

近年来,具有独特的化学和物理性能的电纺纳米纤维的制备与性能研究广受关注。然而由于静电纺丝工艺本身的局限性,所制备的纤维存在直径分布不均匀,力学性能差等缺陷,严重制约了电纺纳米纤维的应用。本文在优化的纺丝与接收工艺条件下得到表面光滑、形态均匀的纳米纤维膜,并通过热牵伸对纤维膜进行了后处理,使得纤维直径进一步降低,取向和结晶程度提高,进而改善了纤维膜的力学性能。主要研究工作和成果如下：1、考察了静电纺丝过程中纺丝液浓度、纺丝电压、接收距离以及接收滚筒转速等因素对纳米纤维形态的影响,优化了聚丙烯睛（PAN）静电纺丝工艺。在纺丝液浓度为10wt%,接收距离为lkv/m,滚筒转速为10m/s可以获得形貌优良的纳米纤维；2、采用多壁碳纳米管增强纳米纤维：将PAN接枝于氧化的多壁碳纳米管（MWCNTs）表面,改善碳纳米管在纺丝液中的分散以及与基体之间的界面结合；3、采用优化的纺丝工艺,制备了碳纳米管含量分别为0.5wt%、1wt%、2wt%、3wt%与5wt%的纳米纤维,测试结果表明添加2wt%的碳纳米管能得到最佳的增强效果,纳米纤维拉伸强度和模量分别提高了59.7%和35.9%;4、在PAN的玻璃化温度和预氧化温度之间,选取不同的温度和不同的张力进行热牵伸,通过结构-性能分析优化热牵伸条件。实验结果表明,在140℃、1.25N张力下进行牵伸,对于改善纳米纤维的结晶和取向效果最佳。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 纳米纤维
• 1.1.1 纳米纤维的概念与性能
• 1.1.2 纳米纤维的应用与发展前景
• 1.1.3 纳米纤维的制备技术
• 1.2 静电纺丝技术
• 1.2.1 静电纺丝原理研究
• 1.2.2 影响静电纺丝的过程参数
• 1.2.3 静电纺丝纳米纤维的应用
• 1.3 聚丙烯腈静电纺丝的研究概况
• 1.3.1 聚丙烯腈（PAN）
• 1.3.2 研究概况
• 1.4 电纺PAN纳米纤维的改性
• 1.4.1 添加碳纳米管（MWCNTs）增强电纺纳米纤维
• 1.4.2 电纺纳米纤维的后处理—热牵伸
• 1.5 本文的研究内容及意义
• 第二章 实验部分
• 2.1 主要原材料
• 2.2 MWCNT的接枝改性
• 2.3 静电纺丝实验
• 2.3.1 PAN溶液配制
• 2.3.2 PAN/MWCNT混合溶液配制
• 2.3.3 静电纺丝装置
• 2.3.4 平行丝热牵伸
• 2.4 材料的性能测试
• 第三章 结果与讨论
• 3.1 碳纳米管增强纳米纤维
• 3.1.1 碳纳米管的接枝
• 3.1.2 电纺PAN/MWCNT复合纳米纤维
• 3.2 热牵伸对纤维性能的影响
• 3.2.0 热牵伸工艺对纤维力学性能的影响
• 3.2.1 热牵伸对纤维形态的影响
• 3.2.2 热牵伸对PAN分子链取向与结晶的影响
• 3.2.3 热牵伸对碳纳米管取向的影响
• 3.2.4 热牵伸对相互作用力的影响
• 第四章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 研究成果及发表的学术论文
• 作者及导师简介
• 附件