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作者：白明瓒北京化工大学

学位级别：硕士

随着碳纤维制备工艺的发展和复合材料技术的进步,碳纤维因其轻质、高强、耐腐蚀、抗疲劳和导电导热等优良特性,已在国防军工、航空航天、汽车船舶和高端体育用品领域有广泛的应用。然而碳纤维的褶皱、劈裂和皮芯结构等缺陷严重影响了碳... 详细信息

随着碳纤维制备工艺的发展和复合材料技术的进步,碳纤维因其轻质、高强、耐腐蚀、抗疲劳和导电导热等优良特性,已在国防军工、航空航天、汽车船舶和高端体育用品领域有广泛的应用。然而碳纤维的褶皱、劈裂和皮芯结构等缺陷严重影响了碳纤维的质量和性能,所以必须减少甚至消除这些缺陷。目前传统的制备碳纤维的纺丝方法无法避免这些缺陷,所以本课题创新地提出采用微纳层叠技术制备矩形截面碳纤维原丝,以聚丙烯腈(PAN)和中间相沥青(MP)基混合凝胶溶液作为碳纤维原料,经后续预氧化和碳化工艺,成功制备出带状叠层MP/PAN复合碳纤维。主要研究内容及结论如下:(1)研究了MP和PAN配比不同对带状叠层碳纤维原丝的影响。研究发现凝胶溶液中MP和PAN含量的增长均有利于带状叠层碳纤维原丝中C元素含量的增加,并且带状叠层碳纤维原丝的表面和截面形貌良好,未观察到皮芯结构,但存在少量微孔缺陷;通过氧气气氛中TG分析得出适宜预氧化处理的温度区间为90℃-110℃,与传统PAN和MP碳纤维的预氧化温度相比大大降低。(2)研究了不同温度对带状叠层MP/PAN复合碳纤维预氧化的影响。研究发现与原丝相比O元素含量明显升高,微晶取向也有所提升,并具有良好的形貌;虽然内部尚存在微孔,但未出现褶皱、劈裂和皮芯结构;110℃的预氧化温度与传统碳纤维生产方式的预氧化温度已经大大降低;通过氮气气氛中TG分析得出适宜碳化的温度区间为700℃-900℃,传统PAN和MP碳纤维的碳化温度相比大大降低。(3)研究了不同碳化温度对带状叠层MP/PAN复合碳纤维的影响。研究发现带状叠层MP/PAN复合碳纤维具有良好的形貌,随着碳化温度的升高,具有更为规整有序的类石墨微观结构;导电性能也随MP含量的增加和碳化温度的升高而提升,电导率最好可达10.75 S/cm。上述优良的结构与性能仅在800℃的碳化温度下得到,故微纳层叠技术在制备高性能碳纤维方面具有极大的潜力。

关键词：微纳层叠技术聚丙烯腈中间相沥青带状碳纤维

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微纳层叠带状聚丙烯腈初生纤维的制备及性能研究

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化工新型材料 2024年第6期52卷 89-93页

作者：缪顺福谭晶赵儒硕杨卫民程礼盛魏鹤琳北京化工大学机电工程学院北京100029 有机无机复合材料国家重点实验室北京100029

以聚丙烯腈(PAN)和二甲基亚砜(DMSO)为原料,采用新型微纳层叠挤出技术制备了微纳层叠带状聚丙烯腈(PAN)基初生纤维,利用扫描电子显微镜、X射线衍射仪、电子万能试验机对初生纤维的性能进行了研究。分析了纤维凝固成形过程中空气层高度... 详细信息

以聚丙烯腈(PAN)和二甲基亚砜(DMSO)为原料,采用新型微纳层叠挤出技术制备了微纳层叠带状聚丙烯腈(PAN)基初生纤维,利用扫描电子显微镜、X射线衍射仪、电子万能试验机对初生纤维的性能进行了研究。分析了纤维凝固成形过程中空气层高度、凝固浴温度、凝固浴浓度对微纳层叠带状PAN初生纤维性能的影响。结果表明:层叠带状PAN初生纤维相比于传统圆形截面纤维,在纺丝过程中能保持良好的带状截面不变形;并且在空气层高度为30mm,凝固浴温度为45℃,凝固浴浓度为40%工艺条件下制备的层叠带状PAN初生纤维综合性能较好,获得了结晶度为31.3%,晶粒尺寸为4.53nm,拉伸强度为14.60MPa的层叠带状PAN初生纤维。

关键词：微纳层叠聚丙烯腈初生纤维带状碳纤维空气层高度凝固浴

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静电纺丝制备酚醛基碳纤维毡及其电容式脱盐性能

静电纺丝制备酚醛基碳纤维毡及其电容式脱盐性能

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作者：王磊清华大学

学位级别：硕士

电容式脱盐是利用多孔电极材料在直流电场作用下产生的电吸附作用去除溶液中带电离子的一种新兴脱盐技术，具有能耗低、无污染、可再生等优点。作为电容式脱盐装置的核心，高比表面积、自支撑而且为柔性的电极材料具有更高的脱盐性能。... 详细信息

电容式脱盐是利用多孔电极材料在直流电场作用下产生的电吸附作用去除溶液中带电离子的一种新兴脱盐技术，具有能耗低、无污染、可再生等优点。作为电容式脱盐装置的核心，高比表面积、自支撑而且为柔性的电极材料具有更高的脱盐性能。静电纺丝制备的酚醛基碳纤维具有酚醛基碳材料碳产率和比表面积较高的优势，又因为其直径更细，可以改善传统酚醛基碳纤维力学性能较差的缺点，因而有可能具有更优异的电容式脱盐性能。但是目前见于报道的电纺制备酚醛基碳纤维依然存在力学性能差、制备工艺繁琐、制备成本高等问题。因此，有必要对其制备工艺进行优化，以获得低成本高柔韧性的自支撑酚醛基碳纤维毡，使其成为更具竞争力的电容式脱盐用电极材料。本文采用市售的低分子量可溶性酚醛树脂作为前驱体，分别以热塑性酚醛树脂、热固性酚醛树脂及其混合物的溶液，通过电纺工艺制备出了均匀连续的酚醛纤维。对其固化工艺的研究表明：热固性酚醛树脂的比例较高时，可以通过浸渍固化液和分阶加热实现其固化。浸渍固化液后，纤维紧密堆叠在一起，导致固化纤维毡的柔韧性降低;而分阶加热时，纤维既能充分交联，又能保持疏松的网络结构，因而具有非常优异的柔韧性。对热固性酚醛树脂电纺工艺的深入研究表明：在热固性酚醛树脂中掺入少量聚乙烯醇缩丁醛（PVB）可以有效改善其可纺性，当调节溶液的浓度在35wt%以下，而粘度在15-30mpa s之间时，可以获得均匀连续的带状酚醛纤维。针对带状纤维成因的分析表明：热固性酚醛树脂的非线性分子结构及其溶液较高的导电性有利于获得带状纤维，而溶剂的挥发速率过高或者过低都不利于带状纤维的形成。电纺酚醛纤维的碳化产物具有良好的柔韧性，其比表面积在1000℃时达到最大值，为858m2/g。采用水蒸气在900℃活化30min可以获得比表面积在1300m2/g的活性碳纤维，同时保持了较好的宏观力学性能。对其电容式脱盐性能测试表明，酚醛基活性碳纤维在初始浓度100mg/L的NaCl溶液中的物理吸附量较高，一定程度上降低了可逆吸附量。但是活化样品的孔径大，比表面积高，而且为柔性自支撑结构，因而具有更快的电吸附速率和电容式脱盐容量，其可逆吸附量达到了7.6mg/g，高于相同条件下的其他材料。

关键词：酚醛树脂静电纺丝带状碳纤维酚醛纤维电容式脱盐

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