NiSO_4改性对聚丙烯腈原丝及其碳纤维结构与性能的影响

碳纤维具有高比强度、高比模量、导电、耐热、自润滑等优异的综合性能,在纤维增强复合材料中得到了广泛的应用.可制备碳纤维的前驱体有人造丝、沥青、聚丙烯腈纤维、木质素、聚乙烯纤维、聚苯并噻唑(PBO)纤维等.但大多数高强碳纤维目前仍然是由聚丙烯腈纤维制备的,同时,许多工作都集中在更进一步提高碳纤维的机械性能.特别是在我国, 碳纤维质量与某些发达国家相比,还有较大的差距,急需解决的问题就是如何尽快研制出高力学性能的碳纤维.采用氨基硅氧烷、脂肪族羧酸[1]、CuCl[2]、KMnO 4[3]、CoCl2[4]等有机或无机化学试剂对聚丙烯腈原丝进行化学处理, 以改进最终碳纤维的结构与性能是一种有效的方法.国内在这方面的研究还很少.文献[1 ～4]中所采用的方法都是利用商业聚丙烯腈原丝在碳化前进行洗油、浸渍、洗涤烘干处理 ,增加了碳纤维制备的工序,同时,原丝损伤较大,在连续生产中难以适用.我们在原丝连续制备的同时采用NiSO4溶液浸渍处理聚丙烯腈纤维,本文主要研究了采用NiSO4浸渍改性后聚丙烯腈原丝及其碳纤维的结构与性能.研究表明,采用NiSO4在线浸渍改性聚丙烯腈原丝,生产工艺简单,且能有效地改进最终碳纤维的结构与性能.     

聚丙烯腈基碳纤维的组织结构演变过程研究

用丙烯腈（AN）、衣糠酸（IA）、丙烯酸甲酯（MA）进行三元自由基溶液共聚合，经湿法纺丝制得聚丙烯腈（PAN）原丝，然后进行预氧化和碳化处理，并用SEM和TEM等分析方法跟踪过程中纤维微观结构的变化。结果表明：碳纤维的微观组织结构与原丝的微观组织结构密切相关，高强度、高取向度、结构均匀和弥散性好的原丝是获得高强度和高模量碳纤维的前提。     

高平均分子量聚丙烯腈的制备、性能和应用

介绍了高平均分子量聚丙烯腈的主要制备方法，如混合溶剂自由基聚合、水相悬浮聚合、反相浮液聚合、离子聚合、紫外光辐射聚合等。还根据高平均分子量聚丙烯腈的性能探讨了其在高性能碳纤维前驱体聚丙烯腈原丝和高强高模中空纤维过滤膜方面的应用。     

超高相对分子质量聚丙烯腈基多孔中空氧化纤维的制备工艺研究

以超高相对分子质量聚丙烯腈基多孔中空纤维为原丝制备了多孔中空氧化纤维 ,研究了其制备工艺 .详细考察了氧化工艺条件 (温度、时间 )对多孔中空氧化纤维环化程度的影响 ,发现环化程度随氧化温度升高和氧化时间延长而提高 ;与以普通分子质量聚丙烯腈基实心纤维为原丝相比 ,氧化温度应较低 (<2 4 0℃ )、氧化时间应较短 (<2h) .     

流变和光学法研究PAN/DMSO/H_2O体系的凝胶化和相分离行为

碳纤维是非常重要的增强材料,在军工以及高档民用产品中用途广泛。因为聚丙烯腈原丝的结构会"遗传"到最终的碳纤维结构中,因此原丝结构对碳纤维的性能影响很大。原丝的结构是纺丝液在凝固浴中的相分离和凝胶化两个过程决定的,因此研究这两个过程的规律并进一步控制它们的进程,达到调控原丝结构的目的是非常重要的。本文介绍了本课题组利用流变学及光学的方法研究PAN/DMSO/H2O体系凝胶化及相分离行为的最新研究成果,主要探索了PAN/DMSO/H2O浓溶液中凝胶化行为,发现了二次自相似结构的形成并对其机理进行了分析,并对PAN/DMSO/H2O亚浓溶液中凝胶化与相分离的耦合过程进行了研究,分析了最终凝胶的结构特性及Winter-Chambon模型在此过程中的适用性。最后,对PAN/DMSO/H2O体系凝胶化及相分离行为的下一步研究进行了展望。     

聚丙烯腈基碳纤维及其原丝中的微孔尺寸分布

利用二维小角X射线散射技术(SAXS)研究了聚丙烯腈基碳纤维及其原丝的微孔结构。结合逐级切线法、对数正态分布及麦克斯韦分布函数对2类实验样品内部微孔的尺寸分布进行了分析。结果表明,2类样品中的孔结构具有显著差别,原丝微孔在4~8 nm范围内分布比较集中,碳纤维中微孔的分布区域则移向1.3~1.8 nm。散射数据显示出明显的分形特征,碳纤维与其原丝的孔分形维数分别为1.33和1.55,表明原丝中具有较大的孔隙缺陷。相对于原丝,碳纤维微孔尺寸分布走向均匀和集中,前者则表现出比后者更宽的尺寸分布。就拟合方法而言,逐级切线法的解析手段容易引入误差,低角区的纤维表面散射和高角区的噪音容易对其结果造成影响。正态分布得到了比较窄的尺寸分布,但对于低尺寸区域孔隙的拟合不理想。麦氏分布在一定程度上弥补了以上不足,能够较好地拟合两类纤维样品中微孔的分布状况。     

纺丝法制备木质素基碳纤维的研究进展

目前全球制备碳纤维主要以聚丙烯腈(PAN)或沥青为原丝,但是这类碳纤维制备成本高,限制了其自动化工业领域的大规模应用。木质素由于具有较高的含碳量和碳化收率高,其可以作为前驱体来制备碳纤维。作为一种新型材料,木质素基碳纤维因其具有价格低廉、环保、原料丰富、可实现废弃资源再生利用等优点而备受关注。本文详细介绍了木质素的分类及结构特征,阐述了不同纺丝方法制备的碳纤维的力学性能,并对其未来发展进行展望。     

带状中间相沥青基石墨纤维结构对电化学性能的影响

通过中间相沥青熔融纺丝、预氧化、炭化及石墨化处理制得了带状中间相沥青基石墨纤维。研究了喷丝孔尺寸和纺丝速率对带状石墨纤维横截面碳层片取向和晶体结构的影响,对用作锂离子电池负极材料的带状石墨纤维的电化学性能进行了测试。结果表明：喷丝孔尺寸和纺丝速率对石墨纤维碳层片取向具有显著影响。采用低长宽比的喷丝孔在低纺丝速率下制备的石墨纤维其碳层片取向呈类辐射状,此石墨纤维负极材料的倍率性能较好,在0.1C和1C倍率下其放电比容量分别为336和300 mAh·g^-1,但其循环稳定性较差,在0.1C倍率下循环100次后容量保持率为89.1%;采用高长宽比的喷丝孔在低纺丝速率下制备的石墨纤维其碳层片呈波浪褶皱状且沿平行纤维主平面取向度高,此石墨纤维负极材料的倍率性能相对较差,但其循环稳定性较好,在0.1C倍率下循环100次后容量保持率为98.8%。随纺丝速率的增加,石墨纤维碳层片整体有序度降低,平行纤维主平面取向的碳层片含量减小,由此导致纤维负极材料的可逆比容量下降。     

高性能聚酰胺6纤维的制备技术进展

聚酰胺6纤维具有良好的综合性能如力学性能、耐热性、耐磨损性和耐化学药品性等,同时具有很高的理论模量,如果开发制备出高强高模纤维,其在军用纤维和纺织上应用前景非常可观。但是聚酰胺分子间很强的氢键作用制约了分子的取向和纤维的高倍拉伸,从而限制了制备高强高模聚酰胺纤维技术的发展。所以要拉伸得到高取向聚酰胺纤维,需通过减少链间氢键的数量来实现。许多研究者已经通过各种工艺技术提高最大拉伸比,如增塑剂法、干法纺丝、冻胶纺丝、湿法纺丝、区域拉伸和退火等。鉴于已经通过冻胶纺丝法制备出了超高分子量聚乙烯纤维,因此目前冻胶纺丝法制备高强高模聚酰胺纤维具有较大的可行性。本文将介绍各种制备聚酰胺6纤维的工艺技术,主要突出冻胶法制备聚酰胺6纤维的技术。     

扫描电子显微镜研究聚丙烯腈纤维的织态结构和缺陷

<正> 碳纤维的性能与所用原料聚丙烯腈(PAN)纤维的质量有密切关系.特别是PAN纤维的织态结构(包括各级的超分子结构)及其缺陷对碳纤维的结构和性能有很大影响.PAN纤维的结构特征与纺丝工艺条件有密切关系.但用扫描电子显微镜(SEM)研     

掺杂羧基化碳纳米管的纳米碳纤维前驱体的制备及表征

为获得结构完整、 性能优良的纳米碳纤维前驱体, 采用静电纺丝法制备了掺杂羧基化多壁碳纳米管(MWCNTs)的聚丙烯腈(PAN)纳米纤维. 用扫描电子显微镜、 偏振红外光谱、 透射电子显微镜、 拉曼光谱及拉伸性能测试等对杂化纳米纤维的微观结构和力学性能进行了研究, 分析了MWCNTs含量的影响. 实验结果表明, 5%(质量分数)的MWCNTs掺杂量为杂化纳米纤维直径的突变点, 且MWCNTs的加入有利于PAN分子链的取向, MWCNTs在PAN纤维中大体上沿纤维轴向取向分布. 3%MWCNTs/PAN杂化纳米纤维的拉伸强度和拉伸模量分别达到88.6 MPa和3.21 GPa.     

气相生长纳米碳纤维与聚合物复合材料的性能研究

气相生长纳米碳纤维/聚合物复合材料是一种性能优良的复合材料。与传统的聚合物导电复合材料相比这种材料表现出优良的电学性能,屏蔽效能与热性能。本文首先对气相生长纳米碳纤维的生产、性能做了总体的介绍,然后对影响气相生长纳米碳纤维/聚合物导电复合材料的电学性能、屏蔽效能以及热学性能的因素做了详细的阐述,特别强调了纳米纤维的分散分布程度、填充浓度和纵横比等方面的影响。本文还对熔融聚合、原位聚合和溶液聚合等加工方法对气相生长纳米碳纤维(VGCNF)/聚合物复合材料最终性能的影响进行了综述,着重介绍了影响气相生长纳米碳纤维/聚合物复合材料电学性能的因素,其中最重要的影响因素是加工方法和加工条件。     

耐超高温连续SiC纤维制备过程中纤维结构和取向演变

以聚铝碳硅烷(PACS)为先驱体, 采用先驱体转化技术制备出耐超高温的连续SiC纤维. 研究了制备过程中纤维结构和取向的演变及其对纤维性能的影响. 研究结果表明, 耐超高温连续SiC纤维制备过程中纤维结构的演变随温度变化分为分子间交联(≤600 ℃)、基本无机化(600—800 ℃)、完全无机化(800—1300 ℃)和结晶重排(1300—1800 ℃) 四个阶段; 纤维的取向随着结构的演变而改变, 连续PACS纤维沿轴向具有的微弱取向, 经热分解后演变到1300 ℃的产物中, 1300 ℃后随着结晶重排的发生, 纤维由各向异性转变为各向同性; 结构和取向的转变对于纤维性能具有很大的影响.     

碳纤维基能源器件研究和应用进展

半个多世纪以来,碳纤维及碳纤维增强复合材料因其优异的力学性能、比强度、比模量、轻质、导电性以及热/化学稳定性,逐渐成为航空航天、建筑、运输、生物医用、体育用品以及电子电气等诸多应用领域一类非常重要的高性能结构材料。近二十多年来,得益于纳米材料与技术以及高效可再生能源器件的迅速发展,力学性能突出的碳纤维(包括工业化碳纤维、碳纤维织物、碳纳米纤维以及碳纳米管纤维等)凭借高的导电性、电化学特性、多孔以及表面可修饰性等优点,开始作为良好的电极材料应用于多种电化学能源器件与光电转换能源器件中,并得到了广泛的研究。本文首次综述了碳纤维基能源器件的研究进展,从认识碳纤维的发展历史与应用出发,介绍了碳纤维的表面功能化与电极制备的相关基础知识,重点综述了当前国内外碳纤维能源器件的发展概况,详细介绍了碳纤维作为功能电极材料在燃料电池、微生物燃料电池、锂离子电池、电化学电容器以及太阳能电池等领域的研究和发展概况。最后,通过分析当前碳纤维能源器件研究领域的现状,对该领域在材料制备工艺、电极设计、器件性能优化与器件集成技术等方面面临的挑战和未来研究方向进行了预测和探讨。     

PAN原丝和预氧化丝在强磁场下的碳化性能

采用磁场强度为12T(恒定磁场)的强磁场对PAN(聚丙烯腈)原丝和在280℃下进行氧化的预氧化丝分别进行了30min的诱导取向。结果发现,强磁场能够使PAN原丝的取向结构特别是非晶区的取向结构得到改善,提高其预氧化速率,使低强度单丝得到补强从而减少碳纤维强度分散度,但对于碳纤维整体强度的提高作用不明显;强磁场对预氧化丝的处理能够增大碳纤维的结晶尺寸,不仅能够减少强度分散度,而且能够提高碳纤维的整体强度。     

共聚单体对水相合成聚丙烯腈及其湿纺纤维结构与性能的影响

水相自由基聚合具有快速、高效的特点,是开发大规模、低成本的聚丙烯腈(PAN)基碳纤维原丝生产技术的首选工艺。本文采用该工艺制备了丙烯腈-衣康酸(P(AN-IA))和丙烯腈-醋酸乙烯酯(P(AN-VAc))两种共聚物,再经溶解和湿法纺丝将其制成纤维。采用傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR)、场发射扫描电子显微镜(SEM)、旋转流变仪、旋转粘度计、X-射线衍射仪(XRD)和差式扫描量热/热重同步分析仪(DSG/TG)对比研究了两种共聚单体对水相合成PAN聚合物及其湿纺纤维结构与性能的影响。结果表明,与醋酸乙烯酯(VAc)相比,衣康酸(IA)降低了PAN聚合物的颗粒团聚程度和溶液粘度,显著提高了PAN纤维的截面圆整度和结构致密性,大幅降低了热稳定化反应起始温度、提高了热稳定性。这主要归因于IA的两个羧基基团。其改善了PAN聚合物的亲水性,使凝固过程更加缓和;减弱了氰基间的作用力,提高PAN分子链的运动性;能够诱导氰基在低温下发生环化反应。     

4,4’-ODA改性含氯芳香族聚酰胺的合成与纺丝工艺研究

采用低温溶液缩聚的方法,在N-甲基吡咯烷酮(NMP)-氯化锂(LiCl)溶剂体系中引入了4,4’-二氨基二苯醚(4,4’-ODA)作为第三单体,与邻氯对苯二胺和对苯二甲酰氯(TPC)反应,得到可用于直接湿纺的共聚物纺丝溶液。将原液进行湿法纺丝,经水洗干燥后得到原丝,采用SEM和电子拉伸试验机表征纤维的结构与力学性能。研究结果表明,共缩聚后可以得到粘度高、分子量大、稳定性好的纺丝原液,通过湿法纺丝制得的纤维具有良好的取向度、结晶度和热性能。     

湿法纺制石墨烯纤维：工艺、结构、性能与智能应用

石墨烯纤维是由石墨烯片层通过组装过程形成的宏观一维材料。其具有较好的耐热性、导热性、导电性以及轻质高强等优点,是实现高品质、功能化纤维的重要突破口。石墨烯纤维在超轻导线、可穿戴储能、传感、生物电极等领域具有广阔应用前景。目前,湿法纺制技术是石墨烯纤维的最主要制备手段,与现有的化学纤维制备过程兼容,是最有望实现规模化制备高品质石墨烯纤维的技术。本文首先介绍了湿法纺制石墨烯纤维工艺中的关键步骤,重点讨论了制备技术与石墨烯纤维结构之间的关系。论述了提升纤维性能的相关策略,总结了石墨烯纤维在功能/智能纤维领域应用。并对提升石墨烯纤维性能的关键问题进行总结阐述,展望了石墨烯纤维的发展前景。     

高性能聚丙烯腈碳纤维中纳米级微孔分析表征研究

高性能碳纤维由于其优异的性能,在各行各业中具有广泛应用。为深入研究碳纤维内结构与其性能之间的相关性,本文应用小角X射线散射研究了一系列典型的聚丙烯腈碳纤维样品,分析了样品内微孔的尺寸及取向,讨论了强度和模量与微孔的相关性,研究结果表明:高性能碳纤维的力学强度和模量与碳纤维内微孔缺陷的长度和长径比有关,控制碳纤维内微孔缺陷的长度有望实现高强碳纤维的制备,控制牵伸倍率从而控制碳纤维内微孔的长径比有望实现高模碳纤维的制备。     

《高分子物理》课程中结合碳纳米管的案例教学研究

碳纳米管分子结构、性能与传统的液晶高分子材料具有非常多共性之处,是《高分子物理》课程教学中极具代表性的学科前沿教学案例。本文以碳纳米管为案例教学对象,从结构、物理和力学性能以及溶液相行为等方面,对碳纳米管与棒状刚性结构液晶高分子材料进行类比;在此基础上,将教学知识点延伸至借鉴芳纶纤维等液晶纺丝技术制备高取向度碳纳米管纤维的新方法,并对比分析碳纳米管纤维与有机纤维性能特点。通过合理设计课程主线、优选教学内容,培养学生的自主学习、学科交叉创新能力,激发学生学习的能动性,提高授课效果和教学质量。