生物基碳纤维的制备及其电磁屏蔽性能研究

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碳纤维是国家战略新兴材料,具有优异的导电、导热性能和力学性能,在风电、航空航天、体育休闲和汽车行业广泛应用。碳纤维性能优劣的关键,一是取决于原丝的质量,因为原丝的内部缺陷在碳化后完全“遗传”到碳纤维中,使碳纤维性能下降;二是碳化工艺,其中高温是影响石墨化程度的主要因素。因此,本课题拟以生物基碳纤维为研究对象,通过在纤维素溶液中添加阻燃剂,经静电纺丝法制备阻燃原丝,减少纤维缺陷,同时利用阻燃剂提高碳化温度,从而得到高性能碳纤维。继而将其与PMMA复合,制备高性能的电磁屏蔽碳纤维材料,探索结构与性能之间的关系。本课题的研究工作和研究结果表明:(1)通过静电纺丝工艺,制备阻燃纤维原丝。通过正交实验法,确定了纤维素溶液浓度是影响纺丝工艺和纤维素直径的主要因素,电压和纺丝距离是次要因素。研究结果显示,最佳纺丝工艺条件为纺丝电压20 k V,纤维素纺丝溶液浓度4wt%,纺丝距离8 cm,适量的阻燃剂不影响纤维原丝的光滑和圆整性,当阻燃剂为纤维素质量的15%时,在最优纺丝条件下,可制备平均直径为10 um阻燃纤维素原丝。(2)对阻燃纤维素原丝进行预处理后进行高温碳化处理,制备生物基碳纤维;对其进行SEM形貌表征、XRD表征、BET比表面积、力学性能、导电性能测试。研究结果显示,阻燃纤维素碳纤维制备的最佳碳化工艺条件是将纤维素原丝置于3%氯化铵溶液中进行预处理,200℃预氧化60 min,1200℃下高温碳化20 min,在此条件下所得碳纤维FRC5#-1200的比表面积为112.31 m~2/g;电阻率为8.816Ω·cm;拉伸强度为0.54 GPa;阻燃剂的添加使碳纤维表面形成连续均匀分布的纳米球状凸起,增大了碳纤维的比表面积;阻燃剂提升了纤维素碳纤维的碳化温度,使其石墨化程度高,内部缺陷减少,形成微孔型碳纤维材料。(3)以PMMA为基体,纤维素基碳纤维为填料,采用双螺杆挤出法制备PMMA/CF电磁屏蔽复合材料;测试该复合材料的力学性能、电导率和电磁屏蔽性能。研究结果显示,随着复合材料中碳纤维的含量增加,复合材料的力学性能、电导率和电磁屏蔽性能都在增加,当碳纤维含量为1.5%时,复合材料的拉伸强度为75.4 MPa,杨氏模量为3.01 GPa,复合材料在高频30 MHz-1500 MHz范围内,电磁屏蔽效能为20 dB-71 dB,满足一般商业用途要求的20 dB。本课题首次提出将阻燃剂加入碳纤维原丝的原液中的思想,通过静电纺丝和碳化途径,制备高性能生物基碳纤维。该方法减少原丝缺陷,提高碳化温度,得到表面呈均匀分布纳米球状凸起的碳纤维微孔材料,解决生物基碳纤维生产工艺中的关键技术问题,为高性能生物基碳纤维及其电磁屏蔽复合材料的制备提供技术支撑,具有一定的理论和实践意义。
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