静电纺丝法制聚丙烯腈基碳纤维开题报告

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1、开题报告静电纺丝法制聚丙烯腈基碳纤维一、选题的背景、意义碳纤维(carbonfiber，简称CF)是一种含碳量在95％以上的新型纤维材料，一般是由有机纤维经热处理而得到。碳纤维具有强度大，模量高，密度小，线膨胀系数小等诸多优点，而被称为新材料之王[1]。碳纤维已被认为是二十一世纪最重要的高技术纤维之一，被广泛应用于航空航天，交通能源，以及体育器材等多个方面。碳纤维既具有一般碳材料所具有的高强度，同时还具有一般纺织物的柔软可加工性，可以作为增强材料制成多种性能优异的复合材料[2]。碳纤维树脂基复合材料拉强度一般都在3500MPa以上，是钢的7.9倍，抗拉弹性模量为23000-43000

2、MPa，亦高于钢。同时碳纤维复合材料还具有密度小、耐热冲击、耐烧蚀、耐化学品、耐热冲击等优点，使其成为战略导弹、运载火箭、卫星、核电装备等不可或缺的材料，在宇航军工等高技术领域发挥着不可替代的作用。目前能够工业化生产的碳纤维一般分为三类：聚丙烯腈(PAN)基碳纤维[3]、沥青基碳纤维[4]以及黏胶基碳纤维[5]。其中聚丙烯腈基碳纤维在强度上优于沥青基、粘胶基碳纤维，而且生产工艺简单，具有较高的碳化收率，因此自60年代以来取得了长足发展，是当前碳纤维工业生产的主流。在全世界的碳纤维生产中聚丙烯腈基碳纤维占有90％的比例，具有绝对性的压倒优势[6]。因此，目前碳纤维的研究主要集中在聚丙烯

3、基碳纤维的研究上。日本东丽公司可以代表聚丙烯腈基碳纤维的最高水平，其于1986年开发出的T1000碳纤维，抗拉强度已达到7．02Gpa[7]。沥青基碳纤维原料廉价易得，所以在民用领域有一定的发展应用，但是其普遍的性能不及聚丙烯腈基碳纤维，故在更广泛领域内的应用受到了限制。而黏胶基碳纤维碳化收率低，技术难度大，成本较高，近些年来已经很少有生产，唯有在航天器的烧蚀材料中具有难以取代的作用，是以一直保持着较低的产量。我国的碳纤维研制也已经有了几十年的历史。从上世纪六七十年代开始，已经有多个大学实验室、研究所开始研究碳纤维，取得了一定得阶段性成果[8]。但是由于种种原因，产品质量不稳定、产品

4、规格少、品种单一、没有高性能产品、技术设备落后，大多没有形成规模效益，无法实现工业化生产。国内众多专家认为，原丝质量不过关是制约碳纤维性能的瓶颈[9]。随着国内经济发展，碳纤维的需求也与日俱增，而目前绝大部分民用和工业碳纤维只能依靠进口，严重影响了我国经济发展和产业升级[10]6。实现高性能碳纤维的工业化与降低碳纤维的成本，成为我国碳纤维研究最迫切的任务。二、相关研究的最新成果及动态聚丙烯睛(PAN)碳纤维在航空航天、武器装备，以及高科技产业中都具有重要的地位，但是制备碳纤维时，要维持高强度，一般会降低其模量；只有纳米碳纤维不仅具有超高强度，还同时具有超高模量，从理论上来讲纳米碳纤维

5、的综合性能最好[11]。因此，纳米碳纤维的制备和应用是现代纳米材料领域研究的一个热点。制备纳米碳纤维的方法主要有两种[12]：一是化学气相沉积法，这种方法生产成本高，产品纯度低；二是静电纺丝法，由静电纺丝可以制备连续碳纤维长丝，而且直径均匀性和化学纯度要好得多。制备纳米碳纤维的整个工艺过程中不使用含有金属离子的化合物，避免了提纯要求，降低了制造成本，扩大了应用范围。2.1静电纺丝制备纯纳米纤维的方法[13]静电纺丝制备纯纳米纤维的方法是利用传统的静电纺丝装置。在静电纺丝时，正极置于聚合物溶液或熔体中，负极连接在收集网上。当聚合物溶液或熔体表面上的电场力克服其表面张力时，在电场力作用下

6、喷射形成一股稳定的流体。射流拉伸成直线至一定距离，然后弯曲，进而呈循环形或螺旋形路径行走。静电力使射流伸长数千倍甚至数万倍，变得非常细。最后溶剂挥发或熔体固化，带电流体在电场力作用下被收集装置收集。产物是由纳米级纤维组成的类似非织造状的纤维网、膜(毡)。使用正常的电纺装置，只能生产同种材料的静电纺纤维。单一材料静电纺制得的纳米纤维存在缺乏表面特异性、力学性能差、降解速率难以控制等缺点。目前，采用静电纺丝制备复合纳米纤维的研究越来越引起关注。2.2静电纺构建复合纳米纤维的方法[13]共混静电纺丝就是分别制备两种聚合物纺丝液，然后将它们按一定比例混合或者将两种聚合物共同溶解在同—溶剂里，

7、再用传统的静电纺丝装置制备共混纳米纤维的方法。通过共混制得的纳米纤维材料含有多种成分，该方法可以改善纤维的多种物理化学性能，但成分的分布难以控制，属于随机分布状态。多喷头静电纺丝就是将不同的聚合物分别放置在不同的喷丝嘴里，并且收集滚筒能高速往复移动，最终得到不同聚合物的混合纤维。用多喷头静电纺丝制得的混合纳米纤维能很好地均匀结合在一起，而且使用多喷嘴可以提高静电纺丝的生产率，因而加快了静电纺丝的工业化进展。使用该装置能够获得产率较高且均匀的纳米纤维网，然而