聚丙烯腈/碳纳米管复合纳米纤维膜的制备与性能研究

论文摘要

纳米纤维性能优异、广泛应用在防护服,光敏元件,生物医药,航天太阳帆等领域。但是,聚合物纳米纤维的强度由于纤维的直径非常小,因此增强纳米纤维一直是材料领域的一大难点。目前主要采用添加增强材料来增强复合纤维的强度来提高纤维的力学性能。碳纳米管具有非凡的力学性能,高的耐热性和良好的导电性。所有这些性质使其成为了理想的增强聚合物材料。所以本文采用添加碳纳米管来增强腈纶纳米纤维。本文使用浓硝酸和浓硫酸混合溶液将多壁碳纳米管进行功能化处理,而后与聚丙烯腈共混,通过静电纺丝技术成功的制备出了纳米复合纤维薄膜。通过使用IR,TEM和电子能谱仪对氧化处理的多璧碳纳米管（MWNTS）进行了表征,结果表明经过氧化处理后的MWNTs被切短,碳管上引入了羧基和羟基等活性基团,可以长时间的均匀的分散在N,N-二甲基乙酰胺（DMF）中。通过毛细管流变仪和旋转流变仪对PAN/MWNTs溶液的流变性能进行了研究,结果表明PAN/MWNTs溶液是切力变稀的非牛顿流体,即假塑性流体,其流变行为对剪切速率和温度均具有明显的依赖性。通过使用扫描电镜,研究了不同静电纺丝工艺对制备PAN/MWNTs纳米纤维的影响。结果表明当质量分数为10%的纺丝液,并在极距为17.5cm,电压为20kV的工艺条件下,可以制备出直径较细,形态良好的纳米纤维薄膜。通过使用扫描电镜,透射电镜,TG,x衍射和薄膜抗拉强度试验机对纳米纤维薄膜的性能进行了研究,结果表明加入修饰后的MWNTs的PAN复合纤维的形貌较好;MWNTs在PAN纳米纤维中有部分取向,但是取向程度不是很高;添加MWNTs后,纤维薄膜的力学性能得到了提高,但是对热性能并没有太大的影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 文献综述
• 1.1 碳纳米管
• 1.1.1 碳纳米管的种类和结构
• 1.1.2 碳纳米管的制备
• 1.1.3 碳纳米管的性质
• 1.1.4 碳纳米管的修饰及改性
• 1.2 纳米纤维
• 1.2.1 纳米纤维的定义
• 1.2.2 纳米纤维的制备方法
• 1.3 静电纺丝
• 1.3.1 静电纺形成纤维的过程分析
• 1.3.2 静电纺丝的过程参数
• 1.4 国内外研究进展
• 1.5 本课题研究目的和内容
• 第二章 碳纳米管的改性处理
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 主要实验试剂和仪器
• 2.2.2 碳纳米管的表面修饰实验
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 透射电镜分析
• 2.3.2 红外光谱（FTIR）分析
• 2.3.3 原始/修饰后碳管表面元素分析
• 2.4 本章结论
• 第三章 碳纳米管/聚丙烯腈纺丝溶液的流变性能研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 主要实验试剂和仪器
• 3.2.2 测试仪器和方法
• 3.2.3 流变溶液的配制
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 剪切速率对溶液的流变性能的影响
• 3.3.2 采用旋转和毛细管流变仪研究PAN/MWNTs共混溶液粘度变化
• 3.3.3 剪切频率对PAN/MWNTs共混溶液动态粘弹性的影响
• 3.3.4 温度对不同含量的PAN/MWNTs的粘弹性的影响
• 3.3.5 PAN/MWNTs溶液的粘流活化能
• 3.4 本章结论
• 第四章 静电纺丝工艺对PAN/MWNTs纳米纤维形貌的影响
• 4.1 引言
• 4.2 实验
• 4.2.1 主要实验试剂和仪器
• 4.2.2 测试仪器和方法
• 4.2.3 溶液配制
• 4.2.4 静电纺丝
• 4.2.5 采用不同工艺参数进行静电纺丝
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 纺丝液质量分数对PAN/MWNTs纳米纤维形貌的影响
• 4.3.2 电压对PAN/MWNTs纳米纤维形貌的影响
• 4.3.3 极距对聚丙烯腈/碳纳米管纳米纤维形貌的影响
• 4.3.4 PAN/MWNTs共混静电纺丝较优工艺的确定
• 4.4 本章结论
• 第五章 PAN/MWNTs纳米纤维薄膜的微观结构和性能
• 5.1 引言
• 5.2 实验
• 5.2.1 主要实验试剂
• 5.2.2 测试仪器和方法
• 5.2.3 溶液配制
• 5.2.4 静电纺丝
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 修饰与未修饰的碳纳米管的PAN纤维形貌分析
• 5.3.2 碳纳米管含量不同的PAN纤维的形貌分析
• 5.3.3 MWNTs在纳米纤维的取向和分布
• 5.3.4 纳米纤维的X衍射
• 5.3.5 纳米纤维薄膜的力学性能
• 5.3.6 纳米纤维的TG表征
• 5.4 本章结论
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间的研究成果
• 致谢