静电纺丝法制聚丙烯腈基碳纤维文献综述

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1、文献综述静电纺丝法制聚丙烯腈基碳纤维一、前言部分聚丙烯睛(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的综合性能最好[1]。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[2]: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

2、，避免了提纯要求，降低了制造成本，扩大了应用范围。1.1聚丙烯腈聚丙烯腈是由单体丙烯腈经自由基聚合反应而得到。大分子链中的丙烯腈单元是头-尾方式相连的，主要用于制聚丙烯腈纤维。聚丙烯腈纤维的优点是耐候性和耐日晒性好，在室外放置18个月后还能保持原有强度的77%。它还耐化学试剂，特别是无机酸、漂白粉、过氧化氢及一般有机试剂。1.2碳纤维碳纤维（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，被称为新材料之王[3]。1.3纳米纤维一般是指纤维的直径是

3、在纳米级。有些人把直径小于111nm的纤维称为纳米纤维，而有些人则定义直径小于0．3tlm的纤维称为纳米纤维，也有文献将纳米纤维定义为直径为纳米级，长度超过lum的物质。纳米纤维主要包括两个概念：一是严格意义上的纳米纤维，是指纤维直径小于100nm的超细纤维。另一概念是将纳米粒子填充到纤维中，对纤维进行改性。1.4高压静电纺丝高压静电纺丝[4](简称“电纺”)是一种利用高压静电为驱动力产生纳米纤维的方法，可制得直径为300nm左右的纳米纤维。8静电纺丝主要是利用电场力的作用，将聚合物溶液从毛细管口处抽出形成射流，经过摆动、蒸发、细化过程，最终得到纳米级的超细纤

4、维。该方法与传统方法明显不同，首先将聚合物溶液或熔体带上几千至上万伏高压静电。带电的聚合物液滴在电场力的作用下在毛细管口处形成Taylor锥，随着电压的增大，锥顶点被加速。当电场力足够大时，聚合物液滴可克服表面张力，在Taylor锥顶点处形成喷射细流。细流在喷射过程中溶剂蒸发或固化，摆动，最终落在接收装置上，形成类似非织造布状纤维毡。静电纺丝能使纤维变成纳米级的主要原因是：在强电场作用下，流体从Taylor锥中被顶出．形成射流，再经过摆动拉伸，直径变小。整个过程历经过三个阶段：初始拉伸阶段、摆动拉伸阶段和固化收集阶段。这种纺丝技术有着许多独有的特性，它使用的材

5、料很广泛，许多聚合物溶液和熔体都可使用。包括一些数量太少而无法用常规方法纺丝的实验材料；到目前为止，已有包括聚乙烯、聚丙烯、聚丙烯腈、尼龙6、聚氧乙烯、聚乙烯醇、聚乙烯醑、聚己内酰胺、聚苯乙烯和聚苯胺等30多种聚合物可用于静电纺丝。这一纺丝技术已成为开发超微细纳米纤维的热点，它开拓了纳米纤维的潜在应用。近年来，研究人员对静电纺工艺的兴趣逐渐增加。大部分关于静电纺的文献已经研究了能够获得纤维的聚合物溶剂体系。一些研究人员研究了静电纺工艺和获得纤维性能之间的关系[5]，考虑到的加工参数包括溶液浓度、黏度、收集距离和拜里数(Berry'sNumber)。另外，Bau

6、mgarten指出，对于PAN体系，纺丝环境与射流分裂现象存在相关性。二、主题部分2.1历史背景静电纺丝作为一种独特的纺丝技术最早出现于20世纪30年代。1934，年Formhals申请了关于在静电场中制备纤维的工艺和设备的第一个专利，报道了以丙酮作溶剂醋酸纤维素的静电纺丝方法。1940年，Formhals再次申请专利，采用静电纺丝法，将聚合物超细纤维直接沉积在不断移动的聚合物基体上，这样纤维网与基体组成复合材料。20世纪60年代，Taylor开始了对静电纺丝的基础理论研究。Taylor主要对电场中聚合物液滴的形状变化进行观察，指出静电纺丝的液体细流产生于在电

7、场中变为锥形的液滴(即后人所称的Taylor锥)，且当锥角为49.3°时，聚合物的表面张力与静电力达到平衡，此时电纺纤维开始形成[6]。在随后的几年中，静电纺丝的研究重点逐渐放到了纤维的形态和结构上。1971年，baumgarten报道了聚丙烯腈的二甲基甲酰胺溶液的静电纺丝，得到纤维直径为500nm~~1100nm[7]。1981年，larrondo和mandley，报道了聚乙烯和聚丙烯的熔融静电纺丝，并发现熔融静电纺丝制备出的纤维直径要大于溶液静电纺丝，且纤维直径受电场电压的影响，当电场电压增加一倍后，纤维直径减小50%。8进入20世纪90年代后，人们对静电

8、纺丝的研究热情空前高涨起来，这主要是由