木质素/碳纳米管复合纳米碳纤维的制备与性能研究

作     者：程相天 

作者单位：广东工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张笑晴

授予年度：2019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：木质素 静电纺丝 碳纳米管 纳米碳纤维 力学性能 

摘      要：碳纤维由于其高比强度和高比模量的特点最早应用于军事和航空航天领域,随着汽车轻量化概念的提出,碳纤维的市场有了更好的发展前景。随全球着工业化的发展,石油能源变得愈发紧缺,以聚丙烯腈（PAN）为首的石油基碳纤维由于其生产成本太高,限制了碳纤维的进一步发展和应用。木质素作为自然界中含量第二大的生物聚合物,广泛存在于植物体中,价格也十分低廉。而且其含碳量较高,因此以木质素为原料是生产低成本碳纤维的理想选择。目前,制备的木质素基碳纤维的力学性能较差,难以满足实际的生产需要。碳纳米管（CNTs）作为复合材料中理想的增强体,成功地应用于改善PAN基前驱体纤维及碳纤维的力学性能。但由于碳纳米管与木质素等生物聚合物之间的相容性太差,以碳纳米管为填料来增强木质素基碳纤维的力学性能尚未达到人们的预期。本文主要研究内容及成果如下:1.以木质素为原料、聚环氧乙烷（PEO）为助纺剂,溶解于N,N-二甲基甲酰胺（DMF）中配制成纺丝液,通过静电纺丝法纺制了木质素基纳米纤维并通过预氧化和碳化的处理成功制备了木质素基纳米碳纤维。探究了纺丝液中PEO的含量及其总质量分数对纤维形态和直径的影响,预氧化的升温速率及预氧化温度对纤维形态、直径和氧含量的影响以及碳化温度对纤维残炭率的影响。结果表明,当纺丝液中PEO的含量为4%,总质量分数为35%时,此时纺制的木质素基纳米纤维的形态良好,表面光滑无串珠,而且直径约为555 nm可满足后续碳化的需要;本实验的最佳预氧化工艺为先以5°C/min的升温速率从室温加热至70°C,然后以0.05°C/min的升温速率加热至250°C并保温2 h。此时得到的纤维膜形态良好,纤维间不发生熔并粘连,直径约为325 nm,且氧元素含量最高约为33%;本实验的最佳碳化工艺为以5°C/min的升温速率升温至800°C并保温2 h,此时纤维的残炭率为45%。2.以木质素为原料、PEO为助纺剂,溶解于DMF中配制成PEO含量为4%,总质量分数为35%的纺丝液,然后向纺丝液中分别添加占木质素质量0.5%,1.0%,1.5%,2.0%的原始碳纳米管（O-CNTs）,常温下超声分散3 h后通过静电纺丝制备木质素/O-CNTs复合纳米纤维。然后以5°C/min的升温速率从室温加热至70°C,然后以0.05°C/min的升温速率加热至250°C并保温2 h进行预氧化处理。最后以5°C/min的升温速率升温至800°C并保温2 h进行碳化处理,最终成功制备了木质素/O-CNTs复合纳米碳纤维。通过扫描电子显微镜（SEM）、热重分析（TG）、X射线衍射（XRD）和拉曼光谱仪（Raman）对木质素/O-CNTs复合纳米纤维及纳米碳纤维的形态和结构作出表征并测试其力学性能。结果表明,随着O-CNTs含量的增加,纤维的形貌由光滑变为粗糙,同时纤维直径逐渐变大且分布不均;O-CNTs的加入并没有满足对于增强纳米碳纤维力学性能的期望,仅当添加了1%的O-CNTs的复合纳米碳纤维,其拉伸强度与原丝比有了10%的提高;少量的O-CNTs（低于1.0%）可以提高木质素基纳米碳纤维的结构有序度。3.首先制备了新型氨基化交联型聚膦腈碳纳米管（PZAA@CNTs）,然后以木质素为原料、PEO为助纺剂,溶解于DMF中配制成PEO含量为4%,总质量分数为35%的纺丝液,然后向纺丝液中分别添加占木质素质量0.5%,1.0%,1.5%,2.0%的PZAA@CNTs,常温下超声分散3 h后通过静电纺丝制备木质素/PZAA@CNTs复合纳米纤维。然后以5°C/min的升温速率从室温加热至70°C,然后以0.05°C/min的升温速率加热至250°C并保温2 h进行预氧化处理。最后以5°C/min的升温速率升温至800°C并保温2 h进行碳化处理,最终完成木质素/PZAA@CNTs复合纳米碳纤维的制备。通过SEM、TG、XRD和Raman对木质素/PZAA@CNTs复合纳米纤维及纳米碳纤维的形态和结构作出表征并测试其力学性能。结果表明,与O-CNTs相比,PZAA@CNTs的加入增强了碳纳米管与木质素分子之间界面相互作用,使木质素基纳米纤维在各个阶段的力学性能都得到了增强。其中,含1.0%PZAA@CNTs的复合纳米碳纤维的拉伸强度和弹性模量与原丝相比分别提高了54%和44%。