电纺法制备纳米碳纤维及其分散形态研究

摘要

电纺是一种制备纳米纤维的新方法，它利用高压静电驱使聚合物溶液(或熔体)喷射而形成纳米级纤维(直径可小于100nm而长度可达数千米)。传统的纺丝技术(干纺、湿纺、熔体纺丝、胶体纺丝等)生产的纤维直径在几到几百微米的范围内，而电纺技术生产的纤维直径可小于100nm。由于形成的纤维的直径较小，具有较大的比表面积，因此它在过滤和膜材料方面有广阔的应用前景，同时它在生物医学材料，增强复合材料方面也有很大的前景。 本文的工作主要集中在以下几个方面： 第一，为了对电纺过程有一个全面的了解，将聚氧化乙烯(PEO)水溶液在不同的工艺条件下进行电纺，制备了PEO纤维。用扫描电镜(SEM)研究了纤维的直径及分散形态；用DSC和XRD研究了纤维的结晶性能。电纺纤维分散形态是由浓度、电压、固化距离等因素综合作用的结果。其中，浓度是最关键的因素，降低溶液浓度、提高静电压、增加固化距离均会使纤维变细。电纺得到的纤维与PEO原粉相比，结晶度下降，从理论上分析了可能的机理。 第二，用电纺技术制备了酚醛纤维及碳纤维。用合成的甲阶酚醛(A-stageresol)和聚乙烯醇(PVA)在不同配比下进行电纺，将得到的纤维在150℃固化处理1h，制得酚醛(PF)纤维。将PF和PVA质量比为1：2的酚醛纤维在不同的温度下进行热处理，得到的纤维直径均小于200nm。用场发射扫描电镜(FESEM)观察并比较了纤维的直径和分散形态。用红外光谱(IR)证实了在600℃下热处理后的酚醛纤维为碳纤维，分散形态最为理想。 第三，用电纺方法制备了聚丙稀腈(PAN)纳米纤维，用FESEM对其形态进行了研究，讨论了不同工艺参数对纤维直径和分散形态的影响。结果发现纤维直径随着浓度的增加而增大，电压升高而减小，接收距离和溶剂类型对纤维直径的影响不大。将形态最好的纤维在240℃下进行活化处理，然后将活化处理过的纤维在氮气氛中煅烧，用FESEM观察了煅烧的纤维直径及形态的变化，红外(IR)分析了纤维化学结构的变化，证实了经900℃煅烧后的纤维为碳纤维。

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致谢

第一章绪论

1.1引言

1.2电纺

1.2.1电纺的基本概念及原理

1.2.2电纺装置

1.2.3电纺理论分析

1.2.4电纺的影响因素

1.2.5电纺的应用

1.3电纺的发展前景及展望

1.4本课题的研究目的及意义

第二章PEO电纺纤维分散形态及结晶性能研究

2.1引言

2.2实验部分

2.2.1原料及试剂

2.2.2实验仪器

2.2.3实验步骤

2.2.4表征

2.3结果与讨论

2.3.1影响因素

2.3.2电纺对PEO结晶性能的影响

2.4本章小结

第三章酚醛基电纺纤维的制备和分散形态的研究

3.1引言

3.2实验部分

3.2.1原料及试剂

3.2.2实验仪器

3.2.3实验步骤

3.2.4表征

3.3结果与讨论

3.3.1 PF和PVA质量比对纤维形态的影响

3.3.2酚醛纤维的热处理分析

3.4本章小结

第四章PAN基纳米碳纤维的制备

4.1引言

4.2实验部分

4.2.1原料及试剂

4.2.2实验仪器

4.2.3实验步骤

4.2.4表征

4.3结果与讨论

4.3.1不同工艺参数对纤维分散形态的影响

4.3.2 PAN纤维的热处理分析

4.4本章小结

第五章结论

参考文献

硕士期间论文发表情况