由聚酰亚胺纤维制备碳纤维
日期：2019-04-02 11:14
7-14聚酰亚胺纳米纤维碳化过程中施加不同压力的纳米碳纤维扫描电镜图片
(a)未施加压力;(b)施加4400Pa压力;(c)施加22000a压力。
碳纤维是一种主要由C元素组成的高强度特种纤维,其分子结构界于石墨。与金刚石之间,近年来以其优异的综合性能成为材料学科研究的重点。碳纤维主要由前驱体有机纤维在惰性气氛中经高温碳化而成,前驱体纤维基体的化学组成和制备工艺决定了碳纤维的结构与性能。目前,碳纤维工业化产品为聚丙烯腈(PAN)基和沥青基碳纤维。
聚酰亚胺纤维作为高性能纤维的一个重要品种,除了前述突出的优良性能,还具有分子结构设计多样化、含碳量高的特点。在制备过程中,严格控制二酐和二胺聚合比例可以得到高分子量的纤维,纤维在纺制过程中需要经过热拉伸,取向度较高(即大多数高分子链排列规整沿纤维轴取向)。这种分子结构的纤维经过高温碳化后生成的石墨晶格尺寸大、缺陷少,能够得到高性能碳纤维。
专利CN102605477首先制备了聚酰胺酸溶液,之后纺制成聚酰亚胺纤维。将聚酰亚胺纤维固定于真空管式炉中,沿其轴向方向施加力,使纤维在热处理过程中处于拉伸状态,在氮气保护下梯度升温,进行碳化处理,最终制得了致密性良好、缺陷少、含碳量高、可导电的聚酰亚胺基碳纤维。专利CN10276699032将聚酰亚胺纤维进行气相或液相稳定化处理,聚酰亚胺高分子链交联固化,然后在氮气气氛中将稳定化的纤维进行低温约束条件下的碳化,最后进行高温石墨化处理,制得了高结晶度、高取向度的高导热碳纤维。
此外,静电纺丝制备的聚酰亚胺纳米纤维也可以制成纳米碳纤维。Choi等首先利用静电纺丝制备了聚酰亚胺纳米纤维,将该纤维高温碳化之后制得纳米碳纤维,研究表明,00碳化之后残碳率为53%,随着碳化温度升高,纳二米碳纤维的电导率增加,220处理之后的电导率为5.3/cm,拉伸强度为5.0MPa,拉伸模量为73.9MPa。Lee等2利用静电纺丝制备了聚酰亚胺纳米纤维,经过高温碳化进一步制备了纳米碳纤维。制备过程中通过调节聚酰亚胺纳米纤维前驱体聚酰胺酸的分子量、静电纺丝的偏压、纺丝速率控制最终聚酰亚胺纤维的形貌及直径,达到控制纳米碳纤维的直径及形貌的目的。研究结果表明,由聚酰亚胺纳米纤维制备的纳米碳纤维电导率高于一般纳米碳纤维,主要原因是该方法制备的纳米碳纤维之闻有相互交叉现象,并且随着纳米纤维直径的减小,纳米碳纤维的电导率增加。图7-14所示为由聚酰亚胺纳米纤维高温碳化时施加不同压力制备的纳米碳纤维形貌图。
Endo等将PAN和聚酰胺酸混合物经过静电纺丝之后高温碳化制备了纳米碳纤维,研究结果表明,PAN的加入降低了聚合物溶液的黏度,增加了聚合物的可纺性;调节纳米碳纤维的直径可以控制纳米碳纤维的性质,随着纳米碳纤维直径的,单根纳米碳纤维的结晶度提高,导致纳米碳纤维的电导率和力学性能增加。
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