聚丙烯腈碳纳米管复合纤维的制备及性能研究

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1、东华大学硕士学位论文聚丙烯腈／碳纳米管复合纤维的制备及性能研究摘要聚丙烯腈(PAN)纤维是较早实现工业化的合成纤维之一，以PAN原丝为前驱体制备的碳纤维综合性能最好。应用纳米粒子对PAN纤维进行复合，可以制备改性PAN纤维。目前碳纳米管(CNT)在高分子复合材料领域的研究十分活跃，通过添用碳纳米管改善纤维材料的力学和导电性能，具有很好的研究和应用价值。本文选用PAN为基体，以多壁碳纳米管(M啪)为填充组分，制备了PAN／MWNT复合纤维，并进行预氧化和碳化制备碳纤维的初步研究，主要开展了以下几个方面的研究工作

2、：1)采用混酸氧化法对碳纳米管进行纯化，以改善碳纳米管在溶液和聚合物基体里的分散性。FT．瓜测试证明氧化处理的碳纳米管表面确实被羰基化，TEM观察到大部分碳管以单管的形式存在，有利于后期与聚合物的复合，改善复合纤维的物理机械性能。氧化处理的碳管在聚丙烯腈稀溶液中有着较好的分散性和稳定性，有利于湿法纺丝的进行。2)采用溶液共混法制备了聚丙烯腈／碳纳米管复合溶液，对复合溶液的动态流变行为进行了详细分析。结果表明，PAN／MWNT复合溶液呈现典型的切力变稀现象，然而与碳纳米管／聚合物复合材料的熔体特性不同的是，MW

3、NT的加入使得复合溶液的复数粘度T1宰、储能模量G’、损耗模量G”出现不同程度的降低；少量M哪的添加导致粘流活化能E打升高。这些现象与溶液体系中PAN大分子、碳纳米管、溶剂三者之间的作用力密切相关，动态应变改变了溶液中瞬间形成的拟网络结构，这些结果对湿法纺丝成形具有很好的指导意义。3)采用湿法纺丝制备了聚丙烯腈／碳纳米管复合纤维，对复合纤维的形态、结构与性能进行了详细研究。通过SEM、TEM观测发现复合纤维表面光滑，碳管在基体分散较为均匀；MWNT的加入改善了纤维的力学性能，断裂强度明显提高，断裂伸长下降，这

4、与DMA测试结果一致；PAN／MWNT东华大学硕士学位论文复合纤维的结晶度和取向度提高，PAN的晶型结构没有改变，拉伸对结晶度和取向度影响相似；复合纤维的逾渗阈值在3wt％附近。总体上来说，碳管含量为7wt％的复合纤维，拉伸倍数为7时，有着较好的综合性能。4)对PAN／MWNT复合纤维进行了预氧化和碳化处理，得到MWNT改性的碳纤维，对复合碳纤维的形态结构与力学性能进行的初步探讨。通过SEM观察发现，MWNT的加入使碳化纤维表面微球结构增大，空隙直径有所变大；碳管的加入对预氧化纤维的热稳定性产生一定的影响；适

5、量碳纳米管的加入提高了预氧化纤维和碳化纤维的拉伸强度，这与MWNT对原丝拉伸强度的影响相似。预氧化和碳化纤维均表现出脆性材料的特性，碳管的加入没有对断裂延伸率产生明显影响。关键词：聚丙烯腈，碳纳米管，复合材料，碳纤维Ⅱ东华大学硕士学位论文PreparationandPropertiesofPolyacrylonitrile／CarbonNanotubesCompositeFibersABSTRACTPolyacrylonitrile㈣fiberisoneofcommerciallyimportantpolym

6、ericfibers，aswellasthepredominantprecursorofcarbonfibers．ModifiedPANfiberswithnanoparticalcshaveattractedconsiderableattentionduetotheiruniquepropertiesandpotentialapplications．Carbonnanotubcs(cwoareonekindofexcellentrenforcingnanomatcrialstoimprovetheprope

7、rtiesofvariouspolymermaterials，whilethecriticalissueisthedispersionofCNTinpolymermatrixorsolvents．Inthisthesis，ThePAN／MWNTcompositefibersworewet-spunfromsolutionsindimethylacetamide(DMAc)，thenchangedtoC愿l"bonfibersbypre-oxidizationandcarbonizationprocedures

8、．Theworkissummarizedasfollowing：1)ModificationofMWNTWel'emodifiedusingconcentratedacidtoimprovetheirdispersioninasolventandthematrixpolymer．FTIRandTEMw6Teusedtocharacterizethe--COOHgrouponthesurfac宅oft