氧化石墨烯对聚丙烯腈纺丝及其向碳纤维结构转化的影响

摘要

聚丙烯腈(PAN)碳纤维原丝中分子沿纤维轴向的取向很大程度上决定了碳化过程中形成的类石墨层片的取向，取向度的提高有利于提高碳纤维的拉伸强度和模量。在纺丝全过程中纤维在单轴牵伸应力作用下，PAN分子沿轴向择优取向，然而在预氧化过程中，由于分子热运动会产生解取向，只有在交联和耐热结构形成后，这种取向结构才能够固定下来。因此如何提高原丝取向度和降低预氧化过程中的解取向对提高碳纤维的性能具有重大意义。
　　 刚性分子材料具有良好的热稳定性，在高温下容易取向并且能保持这种取向结构，如粘土、碳纳米管、石墨烯等。因此，加入刚性分子材料，有利于限制PAN分子由于热运动引起的解取向。石墨烯是由单层碳原子紧密堆积成二维层状结构的一种碳质新材料，也是世界上最薄的材料，具有优异的力学性能。与石墨烯相比，氧化石墨烯(GO)具有相同的层状结构，但GO的层间及层片边缘含有含氧官能团（羟基、羧基、羰基和环氧基），这些官能团使得GO更容易分散在水及有机溶剂中，而且GO的层间距更大，更有利于其他小分子的插层。因此，在聚合物复合方面应用GO来代替石墨烯。将GO加入到PAN中，在纺丝过程中，GO的片状结构将诱导PAN分子沿轴向取向，从而提高PAN原丝的取向度;在纤维的预氧化过程中，GO能抑制纤维的解取向;而在碳化过程中，GO能融入到纤维的晶体结构中，并且作为独立结构连接周围晶体，从而有利于碳纤维力学性能的提高。
　　 本文首先采用不同超声时间制备了两种不同层片尺寸大小的GO（GO1和GO2），通过原位聚合法制备了GO1/PAN及GO2/PAN共聚物，研究了GO1和GO2分别在DMSO和PAN中的分散性、GO1对丙烯腈聚合及PAN流变性能的影响。结果表明，GO1和GO2在DMSO和PAN溶液中均分散均匀，但GO1对PAN的分子量和转化率有所降低。在相同分子量和固含量下，GO可使PAN溶液粘度下降，流动性增大，即有利于PAN的可纺性。采用湿法纺丝工艺制备了GO1/PAN及GO2/PAN原丝，研究了GO对PAN原丝结构，力学性能和热学性能的影响。经分析发现，加入一定量的GO1后，PAN原丝的取向度、力学性能和热稳定性都得到了提高，其中，当GO1含量为0.5wt.％时，PAN碳纤维的取向度提高了15％。与GO2相比，较大层片尺寸的GO1更有利于PAN原丝取向度和力学性能的提高。最后，采用间歇式氧化和碳化工艺制备了GO1/PAN碳纤维，研究了GO1对PAN碳纤维结构性能的影响。结果表明，GO有利于提高碳纤维的结构均匀性，GO1/PAN碳纤维的断面形貌比PAN碳纤维更规整，颗粒更小，加入适量的GO1后，PAN碳纤维的取向度和力学性能都有所提高，其中，当GO1含量为0.5wt.％时，PAN碳纤维的强度提高了10％，模量提高了15％。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 聚丙烯腈纤维

1．3 氧化石墨烯

1．4 氧化石墨烯／聚合物复合材料

1．5 本课题研究的内容及意义

第二章 氧化石墨烯的分散性及其对丙烯腈聚合及溶液流变性能的影响

2．1 引言

2．2 实验部分

2．3 结果与讨论

2．4 本章小结

第三章 氧化石墨烯对聚丙烯腈原丝结构性能的影响

3．1 引言

3．2 实验部分

3．3 结果与讨论

3．4 本章小结

第四章 氧化石墨烯对聚丙烯腈碳纤维结构性能的影响

4．1 引言

4．2 实验部分

4．3 结果与讨论

4．4 本章小结

第五章 总结

参考文献

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