静电纺丝法制备聚丙烯腈基纳米碳纤维及过程机理研究

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静电纺丝由于其设备简单、成本低廉,被认为是制备连续纳米纤维最有效的一种方法。因表面积大、孔隙率高等特性使其在组织工程、传感器以及过滤等领域备受青睐。但是,纤维产量低一直限制着纳米纤维的工业化应用,该问题也成为了静电纺丝领域研究人员重点关注的问题。此外,静电纺丝法获取的常规纳米纤维通常是各项同性的纤维网,该种形式的纳米纤维集合体的机械性能较差,通常需要和其他基材复合使用。为了拓宽纳米纤维的应用领域,制备性能优异且较为连续的纳米纤维纱,也是该领域当今的研究热点。基于此,本文目的就是提高纳米纤维产量,并获得制备纳米纤维包覆纱的新型方法,同时以纳米纤维包覆纱为前驱体尝试制备得到微/纳米复合型碳纤维。本文利用常规的纺织纱线作为喷丝件,通过浸液、带液、分散成液滴、进入电场纺丝等步骤,使得大量射流在纱线表面产生,并且借助高速摄影机,观察到了射流产生的三种形式。基于Maxwell电场模拟,分析了不同细度、不同表面结构以及不同材质的喷丝件对纤维品质和产量的影响。同时,也对纺丝工艺参数(溶液浓度、纺丝电压、纺丝距离以及卷绕速度等)和纤维品质及产量之间的影响关系进行了具体研究。为了弥补纳米纤维机械性能较弱的缺陷,将其按一定取向包覆在机械性能较佳的纺织纱线表面,可获得兼具纳米效应和机械强度的复合纱线。本文利用平行铝薄片使接收的纳米纤维定向,其中央且略高于铝薄片上边缘的位置穿过一根纺织纱线,该纱线可绕自身纱轴旋转,最终使得定向排列的纳米纤维仍保持一定的取向卷绕包覆在芯纱表面。对聚丙烯腈纳米纤维网和包覆纱分别进行水洗、干燥致密化、预氧化和碳化工艺,得到了手感较为柔软的纳米纤维预氧化膜和结晶度较高的微/纳米复合型碳纤维。利用SEM分析了不同参数下的纤维形貌,采用FT-IR分析、同步热分析、X-射线衍射分析等测试手段,分析各个热处理阶段纤维内部结构的变化。
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