碳纳米管/聚丙烯腈碳纤维的制备及其结构和性能的研究

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Eη减小。当剪切速率较大，纺丝溶液MWNT含量较大时，Eη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。

目录

文摘

英文文摘

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

3.2.2 碳纳米管／聚丙烯腈原丝的制备

3.2.3 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