靜電紡絲法制備聚丙烯腈基碳纖維【畢業(yè)設計+開題報告+文獻綜述】

1、<p>　　本科畢業(yè)設計(論文)</p><p><b>　　（二零 屆）</b></p><p>　　靜電紡絲法制備聚丙烯腈基碳纖維</p><p>　　所在學院 </p><p>　　專業(yè)班級 紡織工程 <

2、/p><p>　　學生姓名 學號 </p><p>　　指導教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p>　　摘要：靜電紡絲是制備超細纖維和納米纖維的重要方法。無論對于天然還是合成聚合物，它都能

3、適用，并可獲得直徑從幾十納米至幾微米不等的納米級纖維。碳纖維具有優(yōu)異的物理和化學特性，在復合材料、電子器件、儲氫等領域極具應用價值。</p><p>　　本文以聚丙烯腈為原料，二甲基甲酰胺為溶劑，利用靜電紡絲裝置，采用靜電紡絲的方法制備超細的聚丙烯晴基纖維膜，再經(jīng)預氧化和碳化制得碳纖維。用數(shù)碼相機圖片研究靜電紡絲法制備聚丙烯晴基纖維的影響因素，用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察纖維膜的形態(tài)結(jié)構(gòu)，單纖維電子強力儀等儀器

4、測定纖維的力學性能，結(jié)果表明：纖維的直徑隨著電壓的升高，收集距離的增大而變細，隨著紡絲液濃度的增加而變粗。處理后聚丙烯晴碳纖維剛度變大，最大應力和斷裂伸長呈下降的趨勢，有利于作為高強度材料的復合材料。</p><p>　　關(guān)鍵詞：靜電紡絲；聚丙烯腈基碳纖維；影響因素；力學性能</p><p>　　The Preparation of polyacrylonitrile-based carb

5、on fibers by electrospinning</p><p>　　Abstract：Electrospinning is an attractive method of producing fibers from both natural and synthetic polymer with diameters ranging from scores of nanometers to several

6、micrometers. Carbon fiber has a potential application in composite materials, electronic devices, hydrogen storage and other areas due to its excellent physical and chemical p

7、roperties.</p><p>　　The ultrafine polyacrylonitrile-based fiber membrane was prepared by electrospinning, pre-oxidation and carbonization.  The polyacrylonitrile was as raw material and the dimethyl for

8、mamide was as the solvent. The effects on the preparation of polyacrylonitrile-based fiber membrane by electrospinning were studied using digital camera images. By using scanning electron microscopy(SEM) and single fiber

9、 strength tester, the morphologies and mechanical properties of fiber membrane, were also research</p><p>　　Keywords: Electrospinning; polyacrylonitrile-based carbon fiber; effects; mechanical

10、 properties</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1緒 論1</b></p><p>　　1.1 PAN基碳纖維1</p><p>　　1. 1. 1 PAN基碳纖維的生產(chǎn)和發(fā)展現(xiàn)狀1</p><p>　　1.

11、1. 2 碳纖維及其復合材料的應用2</p><p>　　1.2 靜電紡絲技術(shù)3</p><p>　　1. 2. 1 靜電紡絲4</p><p>　　1. 2. 1 靜電紡絲原理4</p><p>　　1. 2. 2 靜電紡絲的工藝參數(shù)65</p><p>　　1. 2. 3 靜電紡絲技術(shù)研究現(xiàn)狀6<

12、;/p><p>　　1.3 課題的提出和主要研究內(nèi)容6</p><p><b>　　2實驗部分7</b></p><p>　　2.1聚丙烯腈基納米碳纖維的制備7</p><p>　　2. 1. 1 實驗儀器和試劑7</p><p>　　2. 1. 2 靜電紡絲法制備納米碳纖維膜7</

13、p><p>　　2.2 聚丙烯腈基納米碳纖維膜的細微結(jié)構(gòu)測試及性能測試8</p><p>　　2. 2. 1 掃描電子顯微鏡8</p><p>　　2. 2. 2 力學性能測試8</p><p><b>　　3實驗分析9</b></p><p>　　3.1 靜電紡絲法制備聚丙烯腈纖維影響

14、因素分析9</p><p>　　3. 1. 1 紡絲液濃度的影響9</p><p>　　3. 1. 2 電壓的影響109</p><p>　　3. 1. 3 接收距離的影響1110</p><p>　　3.2 掃描電子顯微鏡分析11</p><p>　　3.3 力學性能測試分析12</p>

15、<p>　　3.4 本章小結(jié)13</p><p>　　4總結(jié)與展望1514</p><p>　　4.1 結(jié)論1514</p><p>　　4.2 展望1514</p><p><b>　　參考文獻1615</b></p><p>　　致 謝錯誤!未定義書簽。17<

16、;/p><p><b>　　緒 論</b></p><p>　　1.1 PAN基碳纖維</p><p>　　碳纖維（carbon fiber），顧名思義，它不僅具有碳材料的固有本征特性，又兼具紡織纖維的柔軟可加工性，是新一代增強纖維。碳纖維是由有機纖維經(jīng)碳化處理而得到的纖維材料。與傳統(tǒng)的玻璃纖維(GF)相比，楊氏模量是其3 倍多；它與凱夫拉纖維

17、(KF-49)相比，不僅楊氏模量是其2倍左右，而且在有機溶劑、酸、堿中不溶不脹，耐蝕性出類拔萃。</p><p>　　碳纖維一般以力學性能和制造原材料進行分類，按力學性能一般可分為六類：通用型GP碳纖維、高性線型IIP碳纖維、高強度HS碳纖維、高模量HM碳纖維、超高強度UHS碳纖維和超高模量UHM碳纖維；按原材料可分為：聚丙烯腈(PAN)碳纖維、瀝青碳纖維和粘膠(纖維素)碳纖維。其中，瀝青基碳纖維成本較低，但在強

18、度等性能方面稍差，社會需求不大；粘膠基碳纖維生產(chǎn)工藝復雜，碳化效率低，成本高，一般僅用于軍事領域的尖端技術(shù)；聚丙烯腈基碳纖維的綜合機械性能最好，占目前市場總量的90%以上。</p><p>　　聚丙烯腈(PAN)基碳纖維既具有碳材料固有的優(yōu)良電學、熱學和力學性能，又有紡織纖維的柔軟可加工性，作為鋼材等金屬材料的替代材料和新一代軍民兩用新材料，被廣泛應用于飛機、衛(wèi)星、運載火箭、戰(zhàn)術(shù)導彈、宇宙飛船等航空航天尖端領域，

19、以及化工、機電、醫(yī)藥、采礦、交通運輸、體育器材、建筑材料等工業(yè)和民用。</p><p>　　1. 1. 1 PAN基碳纖維的生產(chǎn)和發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　聚丙烯腈基碳纖維具有優(yōu)異的性能，使得PAN成為制各碳纖維最主要的前驅(qū)體。PAN基碳纖維由日本大阪工業(yè)試驗所的進藤昭男于1959年研制成功，1963年英國皇家航空研究所的Watt等人在纖維熱處理過程中施加張力牽伸，確定了制備高性能碳

20、纖維的技術(shù)途徑，成功制造了高性能PAN基碳纖維。1969年日本東麗公司推出了獨特的共聚丙烯腈纖維炭化技術(shù)，生產(chǎn)了高強度、高模量的碳纖維，在性能和產(chǎn)量上躍為世界領先地位。</p><p>　　世界聚丙烯腈基碳纖維的生產(chǎn)，在二十世紀六十年代起步，經(jīng)過四十多年的飛速發(fā)展，到二十一世紀初己基本成熟[1，2，3]。日本東麗公司處于世界上高性能碳纖維研究發(fā)展的領先地位[4]，其生產(chǎn)的T300的拉伸強度穩(wěn)定在 3.53Gpa，

21、屬于公認的通用級品牌，目前T300已逐步被T700取代，T700將成為新一代通用級碳纖維。碳纖維生產(chǎn)現(xiàn)在己分化為以美國為代表的大絲束碳纖維生產(chǎn)和以日本為代表的小絲束生產(chǎn)兩大類。</p><p>　　碳纖維發(fā)展目前體現(xiàn)出三個特點。第一個特點是碳纖維綜合性能的不斷提高。日本東麗公司在世界高性能碳纖維研究發(fā)展中處于領先地位，該公司開發(fā)成功的T1000的拉伸強度為7.02Gpa[5]，比T300翻了一番，是目前世界上強度

22、最高的碳纖維。但碳纖維實際產(chǎn)品的抗拉強度與理論強度相比還有很大的差距，強度的進一步提高仍有很大的余地和潛力。提高PAN原絲的細旦化、細晶化、均質(zhì)化和致密化，減少表面缺陷和結(jié)構(gòu)缺陷，提高碳纖維的力學性能是發(fā)展的必然趨勢。</p><p>　　碳纖維發(fā)展的第二個特點是大絲束聚丙烯腈基碳纖維的發(fā)展。大絲束碳纖維是指每束碳纖維的根數(shù)等于或大于46000-48000根的碳纖維。大絲束碳纖維的優(yōu)點是可以采用民用聚丙烯腈纖維制

23、備大絲束碳纖維，具有較高的性價比。</p><p>　　碳纖維發(fā)展的第三個特點是在民用工業(yè)中的用量急增。從表1可以看出（括號內(nèi)數(shù)值為占年用量的百分數(shù)）：隨著碳纖維產(chǎn)量的增加和價格的下降，增幅最快的是民用工業(yè)。新的應用領域主要是土木建筑和基礎設施如在抗震修復和增強措施方面，采用碳纖維取代加強筋是一重大突破；能源交通和運輸工具方面主要用于制作汽車壓縮天然氣缸，其在歐美日用量急增；另外在環(huán)保和農(nóng)業(yè)方面的應用正顯示出增長

24、勢頭。</p><p>　　表1-1 聚丙烯腈基碳纖維的市場需求</p><p>　　1. 1. 2 碳纖維及其復合材料的應用</p><p>　　碳纖維具有高強度比、高比模量、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、抗蠕變、傳熱性能好、熱膨脹系數(shù)小等一系列優(yōu)異的性能，但碳纖維就其本身而言，顯然在工程上是根本無用的材料，除非它與適當?shù)哪z粘劑結(jié)合，構(gòu)成一種有實用意義的復合材料，是先

25、進復合材料中最重要的增強材料。</p><p>　　（1） 短碳纖維增強鋁基復合材料</p><p>　　碳纖維增強復合材料是目前最先進的復合材料之一。它以其輕質(zhì)高強，耐高溫，抗腐蝕，力學性能優(yōu)良等特點廣泛用作結(jié)構(gòu)材料及耐高溫抗燒蝕材料。碳纖維增強鋁基復合材料以其高的比強度、比剛度、軸向拉伸強度和耐磨性，優(yōu)異的耐高溫性能和低的熱膨脹系數(shù)，良好的導電、導熱性、抗疲勞性等優(yōu)點在汽車，航天等領域

26、有著廣闊的應用前景。 高嵩[6]等人通過化學鍍再電鍍的方法，在碳纖維表面鍍上 Cu 鍍層，制備 C/Cu 復合絲，并在硼酸的保護下，利用非真空條件下的液態(tài)機械攪拌法制備短碳纖維增強鋁基復合材料。研究了碳纖維在復合材料中的分散程度，銅鍍層存在狀態(tài)及 C/Al 復合材料的拉伸性能，實驗結(jié)果表明：在硼酸存在下，大大降低了銅的氧化程度，碳纖維分散均勻且沒有損傷，少量硼酸的加入，對復合材料的力學性能沒有影響，該復合材料的抗拉伸強度隨碳纖

27、維含量的增加而增加，其拉伸強度較基體材料提高 50% 以上，但塑性指標卻明顯下降。</p><p>　?。?） 碳纖維增強聚醚醚酮復合材料的應用</p><p>　　聚醚醚酮[7]（PEEK）是20世紀80年代開發(fā)的一種全芳香族半結(jié)晶熱塑性工程塑料，其大分子鏈上含有剛性的苯環(huán)，柔順的醚鍵及羥基，結(jié)構(gòu)規(guī)整，具有良好的機械性能、耐化學腐蝕、耐蠕變、抗輻射、抗疲勞及顯著的熱穩(wěn)定性。30%CF增強

28、PEEK的室溫拉伸強度可增加一倍，1500℃時達到未增強時的3倍，沖擊強度、彎曲強度和模量也大幅度提高，伸長率急劇降低，熱變形溫度超過3000℃。與現(xiàn)有應用廣泛的熱固性環(huán)氧基復合材料相比，熱塑性PEEK樹脂基體的韌性明顯增加，碳纖維增強復合材料的塑性變形顯著。CF增強PEEK復合材料克服了普通熱塑性塑料彈性模量低、軟化溫度低、抗溶劑性差、纖維/樹脂粘結(jié)強度低等缺點，進一步增強了PEEK的機械、熱、摩擦等性能，擴大了其再航天、航空、海航、

29、機械、電氣、生物工程等領域的應用。</p><p>　?。?） 碳纖維增強TiC復合材料的抗熱震性能</p><p>　　碳化鈦有好的高溫強度、高的硬度、耐燒蝕性能和耐磨性能。已廣泛用作硬質(zhì)合金材料。但其低的抗熱震性能卻限制了它的高溫應用。提高材料的強度、斷裂韌性、斷裂能、降低彈性模量、降低熱膨脹系數(shù)，而且斷裂韌性提高的幅度要大于強度提高的幅度，材料的抗熱震性能就能有明顯的提高。 宋桂明[

30、8]等人通過測量力學性能和熱物理性能，研究了熱壓燒結(jié)碳纖維增強 TiC 復合材料(Cr/TiC. 20vol%碳纖維)的抗熱震性能。結(jié)果表明：碳纖維加入到 TiC 基體中，提高了復合材料的抗彎強度和斷裂韌性，降低了復合材料的彈性模量和熱膨脹系數(shù)，進而使得復合材料的抗熱震斷裂參數(shù)，抗熱震損傷參數(shù)和裂紋穩(wěn)定性參數(shù)都得以提高。復合材料熱震殘留強度在熱震溫差超過900℃后迅速下降。復合材料熱擴散率的提高有利于抗熱震性能的提高。</p>

31、;<p>　?。?） 碳纖維增強聚乳酸（C/PLA）復合材料的力學性能</p><p>　　在骨折的治療過程中，金屬內(nèi)固定裝置的使用仍然最廣泛。但金屬內(nèi)固定裝置在使用過程中存在嚴重的缺陷。如金屬內(nèi)固定物易出現(xiàn)松動，易造成骨質(zhì)疏松、骨萎縮、局部排異反應，甚至可能導致局部腫瘤等。與金屬內(nèi)固定物相比，可吸收聚合物可提高生物相容性并減小或消除應力遮擋效應。如聚乳酸（PLA）、聚乙醇酸（PGA）等則可避免骨折

32、愈合后的二次手術(shù)。周福剛[9]等人對新型骨折內(nèi)固定材料碳纖維增強聚乳酸（C/PLA）復合材料的力學性能進行了評價。重點研究了纖維體積分數(shù)（Vf） 和硝酸表面處理對 C/PLA 復合材料力學性能的影響規(guī)律。研究表明，隨著Vf的增加，復合材料的彎曲強度、彎曲模量、沖擊強度和剪切強度均先增加，達峰值后又減小。硝酸表面處理可明顯提高復合材料的界面結(jié)合強度,從而使其力學性能明顯提高。</p><p>　　1.2 靜電紡絲技

33、術(shù)</p><p>　　碳納米纖維像其它一維納米結(jié)構(gòu)(比如納米線、納米管和分子線)一樣，由于所具有的高長徑比，已經(jīng)得到了越來越多的關(guān)注。它們潛在的應用領域包括：納米復合材料、碳納米管模板、過濾材料、充電電池、超級電容、納米光電子器件自下而上的組裝等。碳納米纖維可以利用本世紀初發(fā)明的氣相生長法以及等離子體強化化學氣相沉積法制備，然而，這兩種方法工藝較復雜，而且成本較高。碳納米纖維也可以利用靜電紡先制備原絲，然后預氧

34、化、碳化制備出來，其工藝簡單、成本低，是制備納米碳纖維的方法之一，而且也是目前唯一可制得連續(xù)納米級碳纖維的方法。</p><p>　　1. 2. 1 靜電紡絲</p><p>　　靜電紡絲作為一種獨特的紡絲技術(shù)最早出現(xiàn)于20世紀30年代。1934年Formhals[10]申請了關(guān)于在靜電場中制備纖維的工藝和設備的第一個專利，報道了以丙酮作溶劑醋酸纖維素的靜電紡絲方法。1940年，F(xiàn)ormh

35、als再次申請專利，采用靜電紡絲法，將聚合物超細纖維直接沉積在不斷移動的聚合物基體上，這樣纖維網(wǎng)與基體組成復合材料。20世紀60年代，Taylor開始了對靜電紡絲的基礎理論研究。Taylor主要對電場中聚合物液滴的形狀變化進行觀察，指出靜電紡絲的液體細流產(chǎn)生于在電場中變?yōu)殄F形的液滴(即后人所稱的Taylor錐)，且當錐角為49.3°時，聚合物的表面張力與靜電力達到平衡，此時電紡纖維開始形成。</p><p&

36、gt;　　在隨后的幾年中，靜電紡絲的研究重點逐漸放到了纖維的形態(tài)和結(jié)構(gòu)上。1971年，baumgarten報道了聚丙烯腈的二甲基甲酰胺溶液的靜電紡絲，得到纖維直徑為500–1100 nm[11]。1981年，larrondo和mandley，報道了聚乙烯和聚丙烯的熔融靜電紡絲，并發(fā)現(xiàn)熔融靜電紡絲制備出的纖維直徑要大于溶液靜電紡絲，且纖維直徑受電場電壓的影響，當電場電壓增加一倍后，纖維直徑減小50%。</p><p&g

37、t;　　進入20世紀90年代后，人們對靜電紡絲的研究熱情空前高漲起來，這主要是由于利用靜電紡絲可以制備納米纖維，而納米纖維在高效過濾材料，防護用品，催化與吸附材料方面具有許多潛在用途。首先，Doshi 和 Reneker 系統(tǒng)研究了聚環(huán)氧乙烷的靜電紡絲，且他們的工作對靜電紡絲的研究起了重大的推動作用[12]。Gibson研究了電紡纖維膜(electrospunfibermat)的通透性[13]。隨后，Shin設計了新型紡絲裝置[14]，

38、對靜電紡絲中的各個參數(shù)進行了全面系統(tǒng)的研究。Feng還對靜電紡絲時，電場中非牛頓流體的流動進行了理論研究[15]。自20世紀90年代至今，報道的利用靜電紡絲制成纖維的聚合物已超過百種，關(guān)于靜電紡絲的文獻每年也在成倍地增長。</p><p>　　1. 2. 1 靜電紡絲原理</p><p>　　典型的靜電紡絲裝置如圖1-1所示</p><p>　　圖1-1 典型的靜電

39、紡絲裝置</p><p>　　該裝置主要由高壓電源、溶液儲存裝置、噴射裝置和接收裝置四個部分所組成。高壓電源一般采用最大輸出電壓30-100kV的直流高壓靜電發(fā)生器來產(chǎn)生高壓靜電場。溶液儲存裝置可以使用注射器或儲液管等：其中裝滿聚合物溶液或熔融液，并插入一個金屬電極。該電極與高壓電源相連，使液體帶電。噴射裝置為毛細管或注射器針頭。它的放置有幾種不同的方式：垂直放置，這是最簡單、采用最多的一種方式；和接收裝置保持一

40、定的角度，這種方式能夠更好的控制溶液的流速；和接收裝置平行放置，利用數(shù)控機械裝置緩慢推動注射器將溶液擠壓出來。接收裝置可以是金屬平板、網(wǎng)格或滾筒等，對于大多數(shù)靜電紡絲來說，采用平板式的接收裝置得到的是無序排列的纖維，形成的是類似非織造布的纖維氈(網(wǎng)或者膜)，和非織造布形式的纖維相比，彼此可分離的納米長絲或短纖維的應用領域更加廣泛。然而由于靜電紡絲技術(shù)的復雜性，往往很難得到連續(xù)的平行排列的納米纖維。</p><p>

41、;　　將聚合物溶液/熔體置于儲液管中，并將儲液管置于電場，陽極插入儲液管的溶液中，陽極從高壓靜電場發(fā)生器導出。當沒有外加電壓時，由于儲液管中的溶液受到重力的作用而緩慢沿儲液管壁流淌，而在溶液與儲液管壁間的粘附力和溶液本身所具有的粘度和表面張力的綜合作用下，形成懸掛在儲液管口液滴。電場開啟時，由于電場力的作用，溶液中不同的離子或分子中具有極性的部分將向不同的方向聚集。即陰離子或分子中的富電子部分將向陽極的方向聚集，而陽離子或分子中的缺電子

42、部分將向陰極的方向聚集。由于陽極插入聚合物溶液中，溶液的表面應該是布滿受到陽極排斥作用的陽離子或分子中的缺電子部分，所以溶液表面的分子受到了方向指向陰極的電場力。而溶液的表面張力與溶液表面分子受到的電場力的方向相反。當外加的電壓所產(chǎn)生電場力較小時，電場力不足以使溶液中帶電荷部分從溶液中噴出，這時儲液管口原為球形的液滴被拉伸變長。繼續(xù)加大外加電壓，在外界其它條件一定的情況下，當電壓超過某一臨界值時，溶液中帶電荷部分克服溶液的表面張力從溶液

43、中噴出，這時儲液管口的液滴變?yōu)殄F形(被稱為Taylor錐)，在儲液管頂端，形成一股帶電的噴射流。噴射流發(fā)生分裂之后，溶劑揮發(fā)，</p><p>　　1. 2. 2 靜電紡絲的工藝參數(shù)</p><p>　　靜電紡絲的基本參量主要包括：①施加的電場強度(kV/cm)，當紡絲機構(gòu)型固定時，它與施加的靜電電壓成正比；②電紡流體的流動速率，當噴絲頭孔徑固定時，射流平均速度顯然與此成正比；③噴絲頭與收

44、集板之間的距離，而且收集板可以固定靜止或運動(通常為旋轉(zhuǎn))。距離增大，直徑變小。另外，靜電射流的流體的粘度或粘彈性、表面張力、電導率、比熱、熱導率及相變熱(例如熔劑的蒸發(fā)熱或熔體的結(jié)晶熱)對靜電紡絲過程有一定影響。同時，射流周圍的環(huán)境對過程也有一定的影響，如真空、空氣或其他氣氛，溫度、濕度、氣體流通速率等。在靜電紡中，電紡液通常是高分子溶液(偶爾為熔體)，因此高分子和溶劑的種類十分重要，同時必須考慮其平均相對分子質(zhì)量，相對分子質(zhì)量分布及

45、鏈結(jié)構(gòu)的細節(jié)。當靜電紡的體系確定之后，工藝上主要可調(diào)參數(shù)是濃度和溫度。</p><p>　　影響靜電紡絲過程的因素概括起來主要有溶液性質(zhì)，例如粘度、電導率、表面張力等；可控變量，例如毛細管中的流體靜壓、毛細管尖端的電位以及尖端和收集裝置之間的距離；環(huán)境參數(shù)，包括溫度、濕度、紡絲室的氣流速度等。</p><p>　　1. 2. 3 靜電紡絲技術(shù)研究現(xiàn)狀</p><p>

46、;　　納米科技的發(fā)展給纖維科學和工程帶來了新的觀念，也為納米纖維的開發(fā)與應用提供了理論和技術(shù)支持。</p><p>　　靜電紡絲是現(xiàn)如今制備納米纖維的最重要的方法，這是由于采用這種方法不僅可以制備出性能各異的多種聚合物纖維，而且制備出的纖維直徑幾乎都可以達到1μm以下，甚至100 nm 以下(即納米纖維)。這種纖維與常規(guī)纖維相比具有較高的比表面積，它們目前正廣泛用于納米催化劑、人體組織工程支架、防護用品、過濾材料

47、及光電材料等的研究中。</p><p>　　1.3 課題的提出和主要研究內(nèi)容</p><p>　　碳纖維因其在紡織、過濾、吸附等領域潛在的應用價值得到了廣泛關(guān)注。作為高性能纖維的一種，碳纖維既有碳材料的固有本征。又兼?zhèn)浼徔椑w維的柔軟可加工性，是新一代軍民兩用新材料，已廣泛用于航空航天、交通、體育與休閑用品、醫(yī)療、機械、紡織等各領域。</p><p>　　此外，靜電紡

48、絲制備納米級碳纖維的可行性又賦予了碳纖維其他一系列潛在的用途，這些用途是常規(guī)碳纖維無法實現(xiàn)的。由于具有納米級的尺寸，依其結(jié)構(gòu)特性可分為納米碳管即空心碳納米纖維和實心碳納米纖維。兩者皆具有高的強度、質(zhì)輕、導熱性良好及高的導電性等特性，潛在應用于儲氫材料、高容量電極材料、高性能復合材料、燃料電池電極、極好的微細探針和導線等高性能產(chǎn)品。</p><p>　　本課題以聚丙烯腈為原料，利用靜電紡絲裝置，采用靜電紡絲的方法紡

49、制納米級聚丙烯腈基纖維，再經(jīng)預氧化和碳化制得納米碳纖維。在前期研究的基礎上，首先分析影響靜電紡絲制備聚丙烯腈原絲的因素；然后探索靜電紡聚丙烯腈基納米碳纖維膜的顯微結(jié)構(gòu)分析；最后詳細研究分析靜電紡聚丙烯腈基納米碳纖維膜的細微結(jié)構(gòu)測試分析及性能。</p><p>　　本課題的研究內(nèi)容如下：</p><p>　?。ㄒ唬┯绊戩o電紡絲制備聚丙烯腈原絲的因素分析</p><p>

50、;　?。ǘ╈o電紡聚丙烯腈基納米碳纖維膜的顯微結(jié)構(gòu)分析</p><p>　　（三）靜電紡聚丙烯腈基納米碳纖維膜的細微結(jié)構(gòu)測試分析及性能分析</p><p><b>　　實驗部分</b></p><p>　　2.1聚丙烯腈基納米碳纖維的制備</p><p>　　PAN基碳纖維的制造分兩步進行，第一步是用聚丙烯腈單體制造PA

51、N原絲。第二步是預氧化，碳化制得PAN基碳纖維。</p><p>　　2. 1. 1 實驗儀器和試劑</p><p><b>　?。?）主要試劑 </b></p><p>　　聚丙烯腈 粉末 金山石化</p><p>　　二甲基甲酰胺 分析純

52、 上海巨楓化學科技有限公司</p><p>　　氯化鋰 分析純 國藥集團化學試劑有限</p><p><b>　?。?）主要儀器</b></p><p>　　磁力攪拌機 85-1 上海志威電器有限公司</p>

53、;<p>　　高壓直流電源 DW-P303-1ACDB 天津市東文高壓電源廠</p><p>　　微量注射泵 WZ-50C6 浙江史密斯醫(yī)學儀器有限公司</p><p>　　電阻爐 SX2-8-10/60 上海意豐電爐有限公司</p><p

54、>　　2. 1. 2 靜電紡絲法制備納米碳纖維膜</p><p>　　（1） 聚丙烯腈紡絲液的配置</p><p>　　(一) 量取 9.10g 二甲基甲酰胺，置于燒杯中。</p><p>　　(二) 稱取 0.10g 無水氯化鋰加入燒杯中，攪拌至完全溶解。</p><p>　　(三) 將稱量好的 0.80g 聚丙烯腈粉末在攪拌下慢慢加

55、到溶劑中，繼續(xù)攪拌約 20 min 至完全溶脹。</p><p>　　(四) 將燒杯放在磁力攪拌器上進行攪拌，2 h 后取出溶液待用。</p><p>　?。?） 聚丙烯腈基納米纖維靜電紡絲過程</p><p>　　靜電紡絲裝置由高壓直流電源、微量注射泵、溶液儲存器、毛細管、接受裝置組成。將配置好的溶液倒入溶液儲存器（20 mL注射器）中，采用削平的注射針頭作為噴射

56、細流的毛細管，連接高壓電源的正極，接收器連接負極，溶液擠出量由微量注射泵控制，打開電源，在不同工藝參數(shù)下進行靜電紡絲。經(jīng)過初步實驗，確定電紡過程參數(shù)為：電壓為 15 kV，擠出量 0.5 mL/h，接收距離約 15 cm。</p><p>　?。?） 聚丙烯腈基納米纖維膜的預氧化和碳化</p><p>　　預氧化過程：將靜電紡制得的PAN納米纖維氈電熱鼓風干燥箱內(nèi)，在空氣中預氧化。溫度從室

57、溫加熱到 250℃，升溫速率 5℃/min，然后在250℃保持 30 min。</p><p>　　碳化過程：將預氧化后的納米纖維氈放入管式電阻爐中，先通 30 min 的N2驅(qū)走空氣通入N2提供惰性氣氛，加熱起始溫度為室溫，升溫速率 20℃/min，終止溫度為 900℃，在N2 保護下自然降溫至 100℃。</p><p>　　2.2 聚丙烯腈基納米碳纖維膜的細微結(jié)構(gòu)測試及性能測試<

58、;/p><p>　　本文采用掃描電子顯微鏡（SEM）法觀察纖維膜的形態(tài)結(jié)構(gòu)；用單纖維電子強力儀測試碳化前后聚丙烯腈基纖維束的力學性能。</p><p>　　2. 2. 1 掃描電子顯微鏡</p><p>　　儀器：日產(chǎn)S-570型電子掃描顯微鏡。</p><p>　　測試條件：恒溫20℃，濕度60%。</p><p>　

59、　切片：用鋒利的小刀切取一塊聚丙烯腈基碳纖維膜放在載物臺上觀察。</p><p>　　SEM成像原理：由電子槍發(fā)射的電子束，經(jīng)會聚鏡、物鏡縮小、聚焦，在樣品表面形成一定能量和斑點直徑的電子束。在掃描線圈磁場作用下，作用在樣品表面上的電子束按一定時間、空間順序作光柵或掃描。電子束從樣品中激發(fā)出的二次電子，由二次電子收集極收集，由加速極加速至閃爍體轉(zhuǎn)變成光信號，此信號經(jīng)光導管到達光電倍增管再轉(zhuǎn)變成電信號，再由視頻放大

60、器放大，輸送到顯像管柵極，調(diào)制顯像管亮度，使之在屏幕上呈現(xiàn)亮暗程度不同的反映表面起伏的二次電子像[16]。</p><p>　　2. 2. 2 力學性能測試</p><p>　　儀器：單纖維電子強力儀。</p><p>　　測試方法：將制備出的納米纖維膜、納米碳纖維膜烘干后分別按特定方向切取寬 2 mm、長為10 mm的纖維束，在標準大氣條件下平衡 24 h后，用

61、電子強力儀進行拉伸力學性能測定，夾持長度為10 mm，拉伸速度為1 mm/min,初始張力為0.1CN（每個試樣測定10次）。</p><p><b>　　實驗分析</b></p><p>　　3.1 靜電紡絲法制備聚丙烯腈纖維影響因素分析</p><p>　　前人的研究發(fā)現(xiàn)：紡絲液的粘度、表面張力和原液射流所帶的靜電荷密度都會影響所得纖維的形

62、貌[17]。在PAN靜電紡絲過程中有很多因素影響纖維的形態(tài)及直徑，其主要影響因素為溶液濃度、電壓、接收距離等，以下分別對其進行探討分析。</p><p>　　3. 1. 1 紡絲液濃度的影響</p><p>　　紡絲溶液濃度對電紡成纖條件有重要的影響。用溶劑二甲基甲酰胺 (DMF) 配制了PAN質(zhì)量分數(shù)為12%和8%不同濃度紡絲液，在其他固有條件不變的情況下進行靜電紡絲，質(zhì)量分數(shù)為12%

63、，8%的纖維膜數(shù)碼照片見圖 3 - 1，3 - 2。</p><p>　　通過數(shù)碼照片發(fā)現(xiàn)，隨著紡絲液質(zhì)量分數(shù)的增加，纖維直徑也逐漸增加，纖維膜的分布區(qū)域相對較小，密度相對較大。 </p><p>　　主要原因是，隨著紡絲液質(zhì)量分數(shù)的增加，紡絲液的粘度也逐漸增加，從而使液體的表面張力也變大[18]，在靜電紡絲過程中需要克服的表面張力也變大。由于電壓，接受距離其他條件不變，產(chǎn)生的靜電斥力也不

64、變，質(zhì)量分數(shù)8%的紡絲液，由于其粘度相對較小，所需克服的表面張力小，故其在同樣的靜電斥力下，射流分布區(qū)域大，紡成的纖維膜密度小，纖維細度小；質(zhì)量分數(shù)12%的紡絲液，由于其粘度大，所需克服的表面張力大，故其纖維膜分布區(qū)域小，且纖維膜的密度大，纖維細度大。在實驗中，觀察到，當溶液質(zhì)量分數(shù)較高時，由于表面張力太大較難紡出纖維，并且纖維上的溶劑揮發(fā)不完全，還沒有到達收集板時就開始互相粘結(jié)，有時甚至在噴絲孔下端就形成粘結(jié)的團狀物。</p&g

65、t;<p>　　圖 3 - 1 12%質(zhì)量分數(shù)纖維膜數(shù)碼照片 圖 3 – 2 8%質(zhì)量分數(shù)纖維膜數(shù)碼照片</p><p>　　3. 1. 2 電壓的影響</p><p>　　在靜電紡絲中，電壓是決定紡絲成敗的關(guān)鍵因素。采用質(zhì)量分數(shù)為8%的PAN溶液，其他參數(shù)都為固定值。采用10，20kV兩個不同的電壓進行靜電紡絲。數(shù)碼照片見圖 3- 3，3 - 4。</p

66、><p>　　通過數(shù)碼照片圖 3 - 3中發(fā)現(xiàn)，電壓10 kV紡絲時納米纖維擠出太慢不易收集。從圖 3 - 4中發(fā)現(xiàn)隨著電壓的增加，射流速度加快，噴絲變的更加容易，纖維的細度降低但同時纖維直徑細度變化大，紡出的纖維會在收集板上飄忽不定，出現(xiàn)飛絲，掛絲現(xiàn)象，嚴重影響收集。</p><p>　　原因主要是電壓太低，電場強度低，聚合物表面點和密度小，靜電力斥力小，從而導致紡絲速度緩慢。隨著靜電紡絲電

67、壓的增加導致電場強度的增加，聚合物射流具有更大的表面電荷密度，靜電斥力增加；同時，射流所受的拉伸力也加大。兩者共同作用的結(jié)果使射流受到的拉伸應力增大，從而其拉伸應變速率增加，形成的纖維直徑變細。電場強度的增加也使溶液減少同樣體積所需的時間縮短，即紡絲速度加快。在實驗中觀察到，電壓的增加，會導致周圍的物體也具有電場，當電場強度大于收集板電場強度時，會出現(xiàn)已紡出的纖維在沒有到達收集板之前，由于周圍物體的靜電引力而飛向周圍物體，并吸附在周圍物

68、體上，即出現(xiàn)飛絲，掛絲現(xiàn)象。</p><p>　　圖 3 - 3 10 kV電壓紡絲數(shù)碼照片 圖 3 - 4 20 kV電壓紡絲數(shù)碼照片</p><p>　　3. 1. 3 接收距離的影響</p><p>　　在固定電壓的情況下，增加紡絲距離其效果等于減小電場強度。根據(jù)以上電壓影響因素的分析可知，纖維直徑應該增大。圖 3 - 5，3 -

69、6分別是PAN質(zhì)量分數(shù) 8%的紡絲液在接受距離為 15 cm和 25 cm得到的數(shù)碼照片，兩圖對比下可以明顯看出，在其他參數(shù)條件不變的情況下，在 25 cm收集距離所紡得的纖維細度明顯小于 15 cm收集距離所得到的纖維。原因是距離的增加，使噴射細流成纖后的溶劑蒸發(fā)的路程變大，溶劑也會有更多的時間充分蒸發(fā)，溶劑蒸發(fā)量也相應增大，附著在纖維上的殘留溶劑變少，從而使纖維直徑變小，圖 3 - 6 中可以明顯的看到纖維束直徑分布均勻，離散程度小

70、。從圖 3 - 5 中還可以看出，纖維束直徑分布不均勻，有一些直徑明顯較大的纖維。這是因為在較短的紡絲距離下，紡絲射流不能得到充分的裂分，而且射流中的溶劑也沒有足夠的時間揮發(fā)，纖維中溶劑含量較大，纖維會出現(xiàn)塌陷或與其它纖維粘結(jié)融合顯現(xiàn)，因此在制得的纖維膜中可以觀察到有很多直徑明顯較大的纖維。</p><p>　　圖3 - 5 收集距離15 cm數(shù)碼照片 圖3 - 6 收集距離為25 cm數(shù)碼照片

71、</p><p>　　通過上述三組對比實驗，并對得出的數(shù)據(jù)結(jié)果進行分析，發(fā)現(xiàn)在其他參數(shù)不變的情況下，選用電壓 15 kV電壓，8% PAN質(zhì)量分數(shù)，25 cm 接受距離，0.5 ml/h紡絲速度，能比較順利地紡出較細的PAN基原絲。根據(jù)前人的研究發(fā)現(xiàn)，纖維的直徑隨著紡絲液中PAN濃度的增加而增大，隨著電壓的增加而減小，隨著收集距離的增加而減小[19]。</p><p>　　3.2 掃描電子

72、顯微鏡分析</p><p>　　靜電紡絲制備PAN原絲掃描電鏡如圖3 – 7所示，經(jīng)預氧化和碳化制得的PAN基碳纖維掃描電鏡如圖3 - 8所示。</p><p>　　圖3-7 PAN原絲放大4500倍電鏡圖 圖3-8 PAN基碳纖維放大15000倍電鏡圖</p><p>　　從圖 3 - 7 可以看出，PAN 原絲纖維排列無序，纖維直徑不勻且相互纏結(jié)，這可

73、能是因為在紡絲的過程中，射流在固化成纖之前粘連在一起導致的。從圖 3 – 8 可以看出，碳化后纖維表面不平整，直徑在 100 ~360 nm之間，平均為 220 nm，斷裂較多，纖維相互之間纏結(jié)明顯，大多數(shù)纖維還出現(xiàn)了彎曲。原因可能是原絲在固化過程中溶劑的揮發(fā)造成原絲表面不平整。預氧化，碳化過程中，納米纖維在受熱過程中出現(xiàn)了收縮，相互纏結(jié)在一起而引起的。碳化后的纖維，已經(jīng)失去了原絲的柔性，纖維剛度增強。但就單根碳纖維而言，由于其極小的直

74、徑，很容易在外力的作用下發(fā)生斷裂。</p><p>　　3.3 力學性能測試分析</p><p>　　用單纖維電子強力儀分別測試了聚丙烯腈納米纖維束和經(jīng)預氧化、碳化后的碳纖維束的力學性能。圖3 - 9 是聚丙烯腈納米纖維束的拉伸應力-應變曲線。而經(jīng)預氧化、碳化后的碳纖維束的拉伸應力-應變曲線則無法得到。</p><p>　　圖3 - 9 聚丙烯腈纖維束拉伸應力-應變

75、曲線</p><p>　　由圖 3 - 9可知，PAN基納米纖維束的最大拉伸強力 1.05 cN/mm，斷裂伸長 2 mm，拉伸強力比較小，斷裂伸長率較大，原因可能是由于原絲的直徑較細，單纖維的拉伸強力小，收集到的是非織造布形態(tài)的纖維膜，纖維分布密度小，相互間作用力太小。</p><p>　　從理論上來說，碳纖維的拉伸斷裂強度高于一般的纖維，但實際卻相反。預氧化和碳化后得到的碳纖維束，變黑

76、，變硬，變脆，無法夾持進行拉伸強力試驗。原因可能是靜電紡絲過程中，射流在空氣中揮發(fā)，使得固化后的纖維表面不平整，影響了原絲的力學性能，同時，纖維膜是非織造形態(tài)，排列無序，在受熱過程中無法施加張力，纖維受熱的作用，不僅破壞了原絲的結(jié)晶和取向，而且還破壞了氈內(nèi)纖維之間的相互作用。根據(jù)前人的研究發(fā)現(xiàn)，預氧化和碳化破壞了氈內(nèi)纖維之間的相互作用，致使碳纖維束的最大應力和斷裂伸長率呈現(xiàn)減小的趨勢，纖維束的拉伸性能下降，但納米纖維氈的彈性模量遞增[2

77、0]。</p><p><b>　　3.4 本章小結(jié)</b></p><p>　　通過上述兩套試驗，并對兩套試驗結(jié)果數(shù)據(jù)進行了對比分析，得出：電壓，紡絲液濃度，收集距離是能順利紡出纖維的主要因素。碳化后的纖維剛度增強，表面不平整，纖維受熱的作用相互纏結(jié)形成類似多孔結(jié)構(gòu)，使纖維氈具有良好的吸附性能。納米碳纖維束的最大應力和斷裂伸長率呈現(xiàn)減小的趨勢。</p>

78、<p><b>　　總結(jié)與展望</b></p><p><b>　　4.1 結(jié)論 </b></p><p>　?。?）電壓、紡絲液濃度、收集距離是影響靜電紡聚丙烯腈纖維的重要的因素。纖維的直徑隨著電壓的升高，收集距離的增大而變細，隨著紡絲液濃度的增加而變粗。 </p><p>　　（2）采用15 kV電壓，8%

79、 PAN質(zhì)量分數(shù)，25 cm 接受距離，0.5 ml/h紡絲速度，能比較順利的紡出較細的PAN基原絲。經(jīng)預氧化，碳化后能獲得平均直徑220nm的PAN基碳纖維。</p><p>　?。?）預氧化和碳化后，氈內(nèi)纖維間的相互作用力被破壞，納米纖維氈的最大應力和斷裂伸長率呈現(xiàn)減小的趨勢，盡管最大應力遞減，但納米纖維氈的彈性模量遞增。</p><p><b>　　4.2 展望</b

80、></p><p>　　聚丙烯腈基碳纖維由于其良好的性能，廣泛的用途，成為國內(nèi)材料行業(yè)的新熱點。本文對影響聚丙烯腈基碳纖維原絲的因素，碳化后的表面形態(tài)和力學性能進行了初步研究，發(fā)現(xiàn)聚丙烯腈基碳纖維具有較大的應用價值。主要體現(xiàn)在以下幾方面：</p><p>　　（1）聚丙烯腈基原絲紡絲工藝進一步的研究。目前為止，對聚丙烯腈基原絲的紡絲方法都比較接近，但最優(yōu)參數(shù)卻各不相同，需要確定一個原

81、絲制備最優(yōu)參數(shù)，以制備直徑均勻性好，連續(xù)的原絲。研究靜電紡絲收集方式的改進。為了提高最終納米碳纖維的性能，需要在預氧化，碳化時給纖維取向方向施加足夠的張力，無紡布形態(tài)的原絲很難在張力下進行預氧化和碳化，必須改進纖維的收集方式，形成排列整齊，取向度較好的纖維膜。</p><p>　?。?）碳纖維表面處理的研究。碳纖維一般都作為增強力學性能的復合材料。沒有經(jīng)過處理的碳纖維表面具有很多空隙，溝槽，表面能低，對制成的碳復

82、合材料質(zhì)量影響大，對碳纖維表面處理并不是提高碳纖維本身的拉伸強度，而是改善纖維與基體樹脂的結(jié)合性能，因此，需要一種合理的表面改性方法改善粘結(jié)性能，從而達到提高復合材料的性能的目的。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 柯澤豪，杜菁菁．碳纖維研究發(fā)展之現(xiàn)狀與未來[J]．高科技纖維與應用，2000，25(6)：1-9.</p&g

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