靜電紡絲法制聚丙烯腈基碳纖維文獻綜述

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1、文獻綜述靜電紡絲法制聚丙烯腈基碳纖維一、前言部分聚丙烯睛(PAN)碳纖維在航空航天、武器裝備，以及高科技產(chǎn)業(yè)中都具有重要的地位，但是制備碳纖維時，要維持高強度,一般會降低其模量；只有納米碳纖維不僅具有超高強度，還同時具有超高模量，從理論上來講納米碳纖維的綜合性能最好[1]。因此，納米碳纖維的制備和應(yīng)用是現(xiàn)代納米材料領(lǐng)域研究的一個熱點。制備納米碳纖維的方法主要有兩種[2]:一是化學(xué)氣相沉積法，這種方法生產(chǎn)成本高，產(chǎn)品純度低；二是靜電紡絲法，由靜電紡絲可以制備連續(xù)碳纖維長絲，而且直徑均勻性和化學(xué)純度要好得多。制備納米碳纖維的整個工藝過程中不使用含有金屬離子的化合物

2、，避免了提純要求，降低了制造成本，擴大了應(yīng)用范圍。1.1聚丙烯腈聚丙烯腈是由單體丙烯腈經(jīng)自由基聚合反應(yīng)而得到。大分子鏈中的丙烯腈單元是頭-尾方式相連的，主要用于制聚丙烯腈纖維。聚丙烯腈纖維的優(yōu)點是耐候性和耐日曬性好，在室外放置18個月后還能保持原有強度的77%。它還耐化學(xué)試劑，特別是無機酸、漂白粉、過氧化氫及一般有機試劑。1.2碳纖維碳纖維（carbonfiber簡稱CF），是一種含碳量在95%以上的新型纖維材料。一般是由有機纖維經(jīng)熱處理而得到。碳纖維具有強度大，模量高，密度小，線膨脹系數(shù)小等諸多優(yōu)點，被稱為新材料之王[3]。1.3納米纖維一般是指纖維的直徑是

3、在納米級。有些人把直徑小于111nm的纖維稱為納米纖維，而有些人則定義直徑小于0．3tlm的纖維稱為納米纖維，也有文獻將納米纖維定義為直徑為納米級，長度超過lum的物質(zhì)。納米纖維主要包括兩個概念：一是嚴格意義上的納米纖維，是指纖維直徑小于100nm的超細纖維。另一概念是將納米粒子填充到纖維中，對纖維進行改性。1.4高壓靜電紡絲高壓靜電紡絲[4](簡稱“電紡”)是一種利用高壓靜電為驅(qū)動力產(chǎn)生納米纖維的方法，可制得直徑為300nm左右的納米纖維。8靜電紡絲主要是利用電場力的作用，將聚合物溶液從毛細管口處抽出形成射流，經(jīng)過擺動、蒸發(fā)、細化過程，最終得到納米級的超細纖

4、維。該方法與傳統(tǒng)方法明顯不同，首先將聚合物溶液或熔體帶上幾千至上萬伏高壓靜電。帶電的聚合物液滴在電場力的作用下在毛細管口處形成Taylor錐，隨著電壓的增大，錐頂點被加速。當(dāng)電場力足夠大時，聚合物液滴可克服表面張力，在Taylor錐頂點處形成噴射細流。細流在噴射過程中溶劑蒸發(fā)或固化，擺動，最終落在接收裝置上，形成類似非織造布狀纖維氈。靜電紡絲能使纖維變成納米級的主要原因是：在強電場作用下，流體從Taylor錐中被頂出．形成射流，再經(jīng)過擺動拉伸，直徑變小。整個過程歷經(jīng)過三個階段：初始拉伸階段、擺動拉伸階段和固化收集階段。這種紡絲技術(shù)有著許多獨有的特性，它使用的材

5、料很廣泛，許多聚合物溶液和熔體都可使用。包括一些數(shù)量太少而無法用常規(guī)方法紡絲的實驗材料；到目前為止，已有包括聚乙烯、聚丙烯、聚丙烯腈、尼龍6、聚氧乙烯、聚乙烯醇、聚乙烯醑、聚己內(nèi)酰胺、聚苯乙烯和聚苯胺等30多種聚合物可用于靜電紡絲。這一紡絲技術(shù)已成為開發(fā)超微細納米纖維的熱點，它開拓了納米纖維的潛在應(yīng)用。近年來，研究人員對靜電紡工藝的興趣逐漸增加。大部分關(guān)于靜電紡的文獻已經(jīng)研究了能夠獲得纖維的聚合物溶劑體系。一些研究人員研究了靜電紡工藝和獲得纖維性能之間的關(guān)系[5]，考慮到的加工參數(shù)包括溶液濃度、黏度、收集距離和拜里數(shù)(Berry'sNumber)。另外，Bau

6、mgarten指出，對于PAN體系，紡絲環(huán)境與射流分裂現(xiàn)象存在相關(guān)性。二、主題部分2.1歷史背景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申請了關(guān)于在靜電場中制備纖維的工藝和設(shè)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)ormhals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(fù)合材料。20世紀60年代，Taylor開始了對靜電紡絲的基礎(chǔ)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

7、場中變?yōu)殄F形的液滴(即后人所稱的Taylor錐)，且當(dāng)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[6]。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500nm~~1100nm[7]。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(dāng)電場電壓增加一倍后，纖維直徑減小50%。8進入20世紀90年代后，人們對靜電

8、紡絲的研究熱情空前高漲起來，這主要是由