论文部分内容阅读
静电纺纳米纤维具有很高的比表面积,超细的纤维直径和超高的长径比。近几年,碳纳米纤维引起了诸多科学家的兴趣。由于其良好的力学性能,热稳定性和导电性能,使其被广泛应用在复合材料,超级电容及电池等领域。本文通过静电纺丝技术制备碳纳米纤维(CNFs),采用仿生法合成了碳纳米纤维/羟基磷灰石(CNFs/HAp)复合材料,并对其性能进行了研究。研究内容主要包括以下几个方面：(1)通过静电纺丝技术制备了平均直径约为350nm的聚丙烯腈纳米纤维(PANF)。为了得到最佳预氧化条件,研究了250℃,265℃和280℃三个预氧化温度和在280℃下保温1h,2h和3h三个时间条件下PANF的预氧化。随后将预氧化阶段所得的预氧化纤维(PANOF)在1000℃碳化下得到平均直径约为200nm的CNFs。表征了纤维的形貌,热性能及纤维表面化学结构,分析得到最佳预氧化条件为：在1kN拉力下,将PANF从室温加热至280℃,保温2h。在该预氧化条件下,脱氢及环化反应彻底完成,即形成规整的梯形结构最完全。测定了1000℃碳化下的CNFs的电导率,结果表明,经过最佳预氧化条件后,碳化所得的CNFs的电导率最高(～20.2±1.2S cm-1)。(2)通过仿生法合成了3D网络结构的CNFs/HAp复合材料,该CNFs是在280℃/1h条件下预氧化,随后在1000℃碳化下得到的CNFs。CNFs的表面被硫酸,硝酸,及NaOH溶液活化。通过接触角与光电子能谱表征了处理前后CNFs的亲水性及化学结构。得到最佳的活化方法为NaOH溶液活化。通过红外,扫描电镜,透射电镜,粉末衍射及光电子能谱等测试表征了复合材料的形貌与结构。结果发现：NaOH溶液处理后CNFs的亲水性得到了提高,更有利于矿化。CNFs上生长的HAp呈现花纹状。合成的HAp为含有碳酸根的缺钙型羟基磷灰石。(3)通过静电纺丝技术制备了取向PAN (a-PANF)与非取向PAN (r-PANF)纳米纤维,然后通过溶液浸渍法制备了纤维含量为6-16%的PAN纳米纤维/聚甲基丙烯酸甲酯(PAN/PMMA)复合材料。虽然PAN纤维膜为白色不透明,且PAN纳米纤维的折光指数(1.5187)与PMMA的折光指数(1.489)相差较大,但制备的a-PANF/PMMA与r-PANF/PMMA复合材料透光率仍高达90%以上。结果表明：a-PANF对PMMA的增强效果较明显,尤其是a-PANF含量为16%的a-PANF/PMMA复合膜,其拉伸强度与杨氏模量比相同纤维含量的r-PANF/PMMA复合膜分别提高了40%与30%。通过动态力学分析表明,无论在玻璃态(40℃)还是在玻璃态-高弹态转变区(65℃),纤维都对PMMA起到了增强效果。