PAN纤维静电纺丝工艺、结构及其碳化纤维电性能研究

作     者：崔晓晨 

作者单位：山东大学 

学位级别：硕士

导师姓名：于美杰

授予年度：2015年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：静电纺丝 纳米纤维 聚丙烯腈 碳化纤维 电阻率 

摘      要：静电纺丝法是目前制备连续纳米纤维的一种方法,具有设备简单,制备过程可控,成本低廉,制备过程不引入杂质等其他纤维制备方法所不可比拟的优点,成为越来越多学者关注的焦点。与此同时,聚丙烯腈(PAN)纤维作为制备碳纤维的前驱体,具有其独特意义。“尺寸效应表明,纤维直径越细,其含有缺陷的比例和可能性就越小,使得静电纺丝法成为制备高性能PAN原丝的新思路。对于PAN的静电纺丝工艺,已有很多学者进行了深入研究,但总的来看,存在实验范围较小,结论不统一等现象。因此,本文尽可能扩大实验范围,系统研究了电纺参数对纤维直径及形貌的影响,通过对比试验发现,在本实验条件下,喷丝液浓度对纤维直径影响最大,其次是喷丝电压,影响最小的是喷丝距离。纤维直径随喷丝液浓度的升高显著增大;随着喷丝电压升高,纤维直径先增大后减小,而其直径分布先减小后增大;喷丝距离增大,纤维直径先增大后减小。进一步利用正交试验法确定并验证了实验范围内能够制备最细电纺PAN纤维的参数组合为：喷丝液浓度：6wt%,喷丝电压：7kV,喷丝距离：6cm。静电纺丝法的纺丝机理与传统方法大相径庭,同时,对于电纺PAN纤维结构的研究较少,有必要对PAN纤维内部结构进行较为详细的研究。采用“超声刻蚀的相分离手段,结合扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)和X射线衍射(XRD)等表征手段,对电纺PAN纤维内部有序结构分布进行了研究,发现电纺PAN纤维表面存在垂直于纤维轴向的横向沟槽,相邻沟槽间距约为40～190nm,沟槽宽度约为20～35nm,沟槽部分为无序区域,沟槽之间为相对有序区域,两部分垂直于纤维轴向依次排列。在本实验条件下,确定超声时间5h,刻蚀液浓度为85wt%,为最佳刻蚀参数,此条件下处理后的纤维有序部分形貌最清晰完整。以前期工作为基础,在不同实验条件下对静电纺PAN纤维进行了预氧化、碳化实验,制备了电纺碳化纤维,采用红外光谱、元素分析和XRD的测试表征手段研究其热处理过程中的结构转变。实验结果表明,电纺PAN纤维在热处理过程中的化学结构转变与传统纤维基本一致,随着预氧化温度升高,纤维氧含量也有所提升,但在相同的预氧化条件下,电纺纤维的预氧化程度比传统纤维更高;相同碳化条件下,电纺碳化纤维表面形貌好,平均晶粒尺寸小,平均晶面间距大,平均堆叠层数小,表观结晶度更高,结构更规整。通过测试发现不同电纺碳化纤维的体电阻率均随碳化温度的升高逐渐减小,预氧化工艺对碳化纤维的体电阻率影响不大。将电纺碳化纤维磨碎后与四氟型树脂均匀混合制备了复合涂层,其表面电阻率随纤维添加量的增大而减小,但与添加短切传统碳纤维相比,其添加量过高,且表面电阻率较大;直接在碳膜上刷涂树脂能够有效降低涂层表面电阻率,且纤维添加量低;在碳化膜上刷涂添加了磨碎电纺碳化纤维的树脂,能够进一步降低涂层表面电阻率,且测试电压越高,其表面电阻率越小。