纳米纤维纱线的制备与应用研究

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近些年取向纳米纤维纱线作为一种新兴的纳米纤维材料,具有结晶度高、取向度好、抗拉强度大、易于编织等诸多优良特性,在航天、微电子、光电传输以及医学等特殊领域比传统的纳米纤维毡有更好的应用前景。目前纳米纤维纱线的制备方法集中于静电纺丝领域,主要是,在纺丝过程中添加辅助电场使电场重新分配或改变收集装置的形状和运动状况等。  溶液喷射纺丝技术以其高效、普适等突出特点有望发展成为规模化制备纳米纤维的新技术。本文基于溶液喷射纺丝技术,提出了连续制备纳米纤维纱线的新方法,并成功设计其纺丝装置。实验中分析了各参数对纺纱连续性的影响,得到了初步优化的工艺条件。为了提高纱线的机械性能,论文进一步对制备的纳米纤维纱线进行了湿热牵伸,并研究了牵伸倍数和牵伸速度对PAN纳米纤维纱线的形态结构与力学性能的影响。最后将经过拉伸处理PAN纳米纤维纱线经过碳化工艺得到了碳纳米纤维纱,并将其用做电极材料,研究了其基本电化学性能和电容特性及其在线性超级电容器方面的潜在应用。本文的主要研究内容如下:  1)对制备纱线的形貌和机械性能进行分析,发现旋转轴速度是影响纳米纤维纱线的一个重要影响因素。随着旋转轴速度的增加直径会变小而纱线的捻度会增大,机械性能增加。当速度为100rpm时,纳米纤维纱线表现为束的状态;当速度达到300rpm时得到的纱线的捻度和强力最大。卷绕棍的牵拉作用使整个系统能够维持在一个动态平衡的状态,它的速度与旋转轴应当匹配在一定的速度范围内。接收圆盘的存在使漏斗形网状结构更容易形成,同时使成型的纤维网的各个方向的纤维更加均匀,当接收圆盘速度为20rpm的时候,纱线直径最均匀。  2)经过牵伸处理PAN的(200)晶面的衍射峰逐渐变窄而尖,强度明显增强,表明纤维中的晶态部分和氰基取向显著增加,纤维的结晶度提高了将近1倍;在拉伸速度和拉伸倍数分别为2mms-1和2倍时,PAN纳米纤维纱线的断裂强度为初纺纱的9.3倍,达到104.34MPa。  3)PAN基碳纳米纤维纱是以双电层电容的形式储存能量,其恒流充放电曲线为较好的对称三角形,比容量为15.8Fg-1;在循环1200次后,比容量的保持率为91.2%,表现出良好的循环稳定性。基于阻抗测试得出,碳纳米纤维纱的内阻为0.5836Ω,比相应的静电纺丝法制备的取向碳纳米纤维束的电阻要低很多。
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