靜電紡絲法制聚丙烯腈基碳纖維開題報告

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1、開題報告靜電紡絲法制聚丙烯腈基碳纖維一、選題的背景、意義碳纖維(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，而被稱為新材料之王[1]。碳纖維已被認(rèn)為是二十一世紀(jì)最重要的高技術(shù)纖維之一，被廣泛應(yīng)用于航空航天，交通能源，以及體育器材等多個方面。碳纖維既具有一般碳材料所具有的高強度，同時還具有一般紡織物的柔軟可加工性，可以作為增強材料制成多種性能優(yōu)異的復(fù)合材料[2]。碳纖維樹脂基復(fù)合材料拉強度一般都在3500MPa以上，是鋼的7.9倍，抗拉彈性模量為23000-43000

2、MPa，亦高于鋼。同時碳纖維復(fù)合材料還具有密度小、耐熱沖擊、耐燒蝕、耐化學(xué)品、耐熱沖擊等優(yōu)點，使其成為戰(zhàn)略導(dǎo)彈、運載火箭、衛(wèi)星、核電裝備等不可或缺的材料，在宇航軍工等高技術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用。目前能夠工業(yè)化生產(chǎn)的碳纖維一般分為三類：聚丙烯腈(PAN)基碳纖維[3]、瀝青基碳纖維[4]以及黏膠基碳纖維[5]。其中聚丙烯腈基碳纖維在強度上優(yōu)于瀝青基、粘膠基碳纖維，而且生產(chǎn)工藝簡單，具有較高的碳化收率，因此自60年代以來取得了長足發(fā)展，是當(dāng)前碳纖維工業(yè)生產(chǎn)的主流。在全世界的碳纖維生產(chǎn)中聚丙烯腈基碳纖維占有90％的比例，具有絕對性的壓倒優(yōu)勢[6]。因此，目前碳纖維的研究主要集中在聚丙烯

3、基碳纖維的研究上。日本東麗公司可以代表聚丙烯腈基碳纖維的最高水平，其于1986年開發(fā)出的T1000碳纖維，抗拉強度已達到7．02Gpa[7]。瀝青基碳纖維原料廉價易得，所以在民用領(lǐng)域有一定的發(fā)展應(yīng)用，但是其普遍的性能不及聚丙烯腈基碳纖維，故在更廣泛領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用受到了限制。而黏膠基碳纖維碳化收率低，技術(shù)難度大，成本較高，近些年來已經(jīng)很少有生產(chǎn)，唯有在航天器的燒蝕材料中具有難以取代的作用，是以一直保持著較低的產(chǎn)量。我國的碳纖維研制也已經(jīng)有了幾十年的歷史。從上世紀(jì)六七十年代開始，已經(jīng)有多個大學(xué)實驗室、研究所開始研究碳纖維，取得了一定得階段性成果[8]。但是由于種種原因，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定、產(chǎn)品

4、規(guī)格少、品種單一、沒有高性能產(chǎn)品、技術(shù)設(shè)備落后，大多沒有形成規(guī)模效益，無法實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。國內(nèi)眾多專家認(rèn)為，原絲質(zhì)量不過關(guān)是制約碳纖維性能的瓶頸[9]。隨著國內(nèi)經(jīng)濟發(fā)展，碳纖維的需求也與日俱增，而目前絕大部分民用和工業(yè)碳纖維只能依靠進口，嚴(yán)重影響了我國經(jīng)濟發(fā)展和產(chǎn)業(yè)升級[10]6。實現(xiàn)高性能碳纖維的工業(yè)化與降低碳纖維的成本，成為我國碳纖維研究最迫切的任務(wù)。二、相關(guān)研究的最新成果及動態(tài)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

5、的綜合性能最好[11]。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[12]：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，避免了提純要求，降低了制造成本，擴大了應(yīng)用范圍。2.1靜電紡絲制備純納米纖維的方法[13]靜電紡絲制備純納米纖維的方法是利用傳統(tǒng)的靜電紡絲裝置。在靜電紡絲時，正極置于聚合物溶液或熔體中，負(fù)極連接在收集網(wǎng)上。當(dāng)聚合物溶液或熔體表面上的電場力克服其表面張力時，在電場力作用下

6、噴射形成一股穩(wěn)定的流體。射流拉伸成直線至一定距離，然后彎曲，進而呈循環(huán)形或螺旋形路徑行走。靜電力使射流伸長數(shù)千倍甚至數(shù)萬倍，變得非常細(xì)。最后溶劑揮發(fā)或熔體固化，帶電流體在電場力作用下被收集裝置收集。產(chǎn)物是由納米級纖維組成的類似非織造狀的纖維網(wǎng)、膜(氈)。使用正常的電紡裝置，只能生產(chǎn)同種材料的靜電紡纖維。單一材料靜電紡制得的納米纖維存在缺乏表面特異性、力學(xué)性能差、降解速率難以控制等缺點。目前，采用靜電紡絲制備復(fù)合納米纖維的研究越來越引起關(guān)注。2.2靜電紡構(gòu)建復(fù)合納米纖維的方法[13]共混靜電紡絲就是分別制備兩種聚合物紡絲液，然后將它們按一定比例混合或者將兩種聚合物共同溶解在同—溶劑里，

7、再用傳統(tǒng)的靜電紡絲裝置制備共混納米纖維的方法。通過共混制得的納米纖維材料含有多種成分，該方法可以改善纖維的多種物理化學(xué)性能，但成分的分布難以控制，屬于隨機分布狀態(tài)。多噴頭靜電紡絲就是將不同的聚合物分別放置在不同的噴絲嘴里，并且收集滾筒能高速往復(fù)移動，最終得到不同聚合物的混合纖維。用多噴頭靜電紡絲制得的混合納米纖維能很好地均勻結(jié)合在一起，而且使用多噴嘴可以提高靜電紡絲的生產(chǎn)率，因而加快了靜電紡絲的工業(yè)化進展。使用該裝置能夠獲得產(chǎn)率較高且均勻的納米纖維網(wǎng)，然而