聚合物共混纺丝法制备纳米碳纤维的研究

摘要

近年来纳米碳纤维以其独特的物理化学特性引起了人们对它的极大的兴趣。本文选用一种新颖的纳米碳纤维的制备方法--聚合物共混纺丝法,成功地制备出了直径小于200nm的纳米碳纤维,探讨了共混聚合物的相容性、纺丝工艺条件、碳化温度对产物形态、结构和性能的影响。并将本实验制备得到的纳米碳纤维添加到环氧树脂中制备环氧树脂/纳米碳纤维复合材料,对纳米碳纤维的加入对复合材料的结构与性能影响做了简单的探讨。本课题的实验内容主要包括以下三个方面:
　　 (一)以聚丙烯(PP)为热解高聚物、酚醛树脂(PF)为碳纤维前躯体进行共混,采用熔融纺丝法将共混体系纺丝,对得到的纤维拉伸,之后碳化纤维除去聚丙烯,得到酚醛基纳米碳纤维。采用扫描电镜等对PP/PF共混体系的相容性及微观结构进行分析,研究了纺丝牵伸比、降温母粒含量对纳米碳纤维形态的影响；用拉曼光谱、X-射线衍射技术对纳米碳纤维的微晶结构进行研究,揭示了其中的演变规律与形成特点。结果表明:随着降温母粒加入量的增加,酚醛树脂的分散尺寸增大；随着牵伸比的增加,纳米碳纤维的直径减小,综合考虑各种因素,认为制备纳米碳纤维的最佳共混比为60/20/20(PP/PF/降温母粒),最终制得了具有良好的电性能的直径小于200nm的纳米碳纤维。XRD和拉曼光谱测试分析发现PP/PF共混纤维600℃碳化处理后已经开始产生一些石墨微晶,在900℃的条件下进行碳化所得的纳米碳纤维石墨化程度还较低,仍属于无定形碳范围。
　　 (二)选用聚丙烯腈(PAN)为纤维前驱体,以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA),为热解聚合物,采用溶液共混法制备PAN/PMMA共混溶液,通过湿法成型将上述共混溶液制成共混纤维。采用红外光谱、扫描电镜等分析研究共混物的相容性,发现PAN/PMMA的相态结构为PAN以微纤形式分散在PMMA中,具有适用于制备纳米碳纤维的相态结构。将PAN/PMMA共混纤维经预氧化,高温碳化后,获得了纳米碳材料。当体系中PAN质量分数为30％％时,碳化后获得了直径为200～500nm的纳米碳纤维,且原丝拉伸倍数的提高有利于纳米碳纤维直径的减小；而当PAN质量分数为70％时,则获得了多孔状活性碳纤维。本实验制得的纳米碳纤维具有良好的电性能并且也属于无定形碳范围。
　　 (三)选用本实验制备的纳米碳纤维,采用超声波分散的方法制备了纳米碳纤维/环氧树脂复合材料,对其力学性能、电学性能、热稳定性进行了测量,并借助SEM对其断口形貌进行了表征。实验结果表明,随着纳米碳纤维的加入量的增加,复合材料的拉伸强度呈现一个先增加后减小的趋势,由此可见,纳米碳纤维的加入起到了一定的增强效果。复合材料的电阻率随着CNF含量的增加而减小,当CNF％=5％时,电阻率达到了104Ω·cm。

目录

文摘

英文文摘

第一章 前言

1.1 纳米碳纤维的发展历史

1.2 纳米碳纤维的结构和性能

1.3 纳米碳纤维的制备方法

1.3.1 气相生长法

1.3.2 电场纺丝法

1.3.3 聚合物共混纺丝法

1.4 纳米碳纤维的应用

1.4.1 纳米碳纤维作为材料增强体

1.4.2 增加电导率的附加剂

1.4.3 控制热膨胀系数的添加剂

1.4.4 储氢材料

1.4.5 锂离子电池的电极材料

1.4.6 其他用途

1.5 本课题的研究背景和意义及研究内容

1.5.1 研究背景及意义

1.5.2 本论文的研究内容

1.5.3 本论文的研究方法

参考文献:

第二章 聚合物共混纺丝法制备酚醛基纳米碳纤维

2.1 实验部分

2.1.1 实验原料与设备

2.1.2 实验步骤

2.1.3 测试分析

2.2 结果与分析

2.2.1 筛选配方

2.2.2 共混纤维的截面扫描电镜观察

2.2.3 可纺性分析

2.2.4 纺丝工艺条件对纳米碳纤维形态的影响

2.2.5 碳化工艺过程分析

2.2.6 纳米碳纤维的石墨结构分析

2.2.7 纳米碳纤维的电性能分析

2.3 结论

参考文献:

第三章 聚合物共混纺丝法制备聚丙烯腈基纳米碳纤维

3.1 实验部分

3.1.1 实验原料与设备

3.1.2 实验步骤

3.1.3 测试分析

3.2 结果与讨论

3.2.1 热解聚合物基体的选择

3.2.2 纺丝工艺条件对纳米碳纤维形态的影响

3.2.3 PAN/PMMA体系的碳化过程分析

3.2.4 由PAN/PMMA共混体系碳化后所得碳纤维的石墨结构分析

3.3 结论

参考文献:

第四章 环氧树脂/纳米碳纤维复合材料的制备及其性能研究

4.1 试验

4.1.1 试验原料与没备

4.1.2 试验步骤

4.2 实验结果与讨论

4.2.1 环氧树脂/纳米碳纤维复合材料的红外光谱分析

4.2.2 环氧树脂/纳米碳纤维复合材料的电性能

4.2.3 纳米碳纤维在环氧树脂中的分散性能

4.2.4 复合材料的拉伸性能分析及拉伸断口形貌观察

4.2.5 环氧树脂/纳米碳纤维复合材料的X-射线衍射分析

4.2.6 环氧树脂/纳米碳纤维复合材料的热性能分析

4.3 结论

参考文献:

第五章 结论

硕士期间发表论文情况

致谢