文摘

本研究建议最优条件稳定的纤维素微粒子分散在PAN纺丝液,准备纺丝纤维。许多研究已经调查方法准备各种各样的碳纤维前驱,试图控制自己的特点根据应用程序。为了准备PAN纤维含有细纤维素粒子,重要的是要创建一个均匀分散的纺丝液。最小化的纤维素颗粒大小受到不同温度热处理的凝聚力,以减少纤维素分子之间的氢键。碳化纤维素微粒子均获得有效的分散使用物理方法和沉降的方法。几个仪器分析进行研究粒子的特点和解决方案与SEM、ir、XRD和粒度分析仪。从结果,PAN纺丝液的分散与化学治疗优于铣削方法其次是热处理。在这项研究中,热处理纤维素微粒子在400°C被发现是最有效的方法。

1。介绍

碳纤维是一种纤维含有超过90%的碳和它可以由热处理的有机纤维作为前体。碳纤维应用程序扩展到航空航天、国防、能源、造船、汽车制造、体育和休闲领域由于材料的优良性能,包括强度系数、特定的模量和热稳定性。最近,新兴节能和全球变暖问题导致的加速度轻质材料的应用,如碳纤维。使用这种纤维尤其飞机行业的前景,因为它是轻量级的,有更小的体积变化,稳定在高温和化学攻击,同时保持高强度和高模量。

碳纤维是基于起始物料分为三组:人造丝基碳纤维,pitch-based碳纤维和聚丙烯腈基碳纤维1- - - - - -4]。人造丝基碳纤维具有良好的热性能和高弹性模量。pitch-based碳纤维的处理成本负担得起的,这使得它的使用有利于制造商。聚丙烯腈基碳纤维中使用多种复合材料,由于其强度高。过程开发研究已经广泛开展,因为可以获得高性能碳纤维通过稳定和碳化过程(5- - - - - -7]。后控制稳定的聚丙烯腈基碳纤维的碳化过程,材料的抗拉和抗剪强度将会提高,这样就可以将应用于复合材料。

由于需要材料具有优良的机械和热性能,各种研究一直发展成碳纤维材料的混合动力技术。例如,碳纤维,相对较高的热导率和较低的保温,限制了在火箭发动机喷管和核反应堆使用的应用程序。这些应用程序需要材料,同时高强度特性,轻量级和绝缘性能。解决这些问题,需要开发一种新型的碳纤维。最近,高性能碳纤维复合材料与无机纳米纤维和纤维素纳米粒子已被报道8]。基于碳纤维的热导率的结果与各种前兆,人造丝基碳纤维的热导率,在1500 K热处理,低于20.5%的聚丙烯腈基碳纤维热处理在1600 K。人造丝基碳纤维的热导率,在2500 K热处理,还发现16.7%低于pitch-based碳纤维,热处理在2700 K (9]。利用这一结果,研究降低热导率使用复合的聚丙烯腈基碳纤维和microcellulose粒子进行了(10]。

在这项研究中,制备,包括纤维素颗粒的分散,研究了聚丙烯腈基碳纤维纤维的纤维素粒子以减少复合纤维的热导率不降低它的弹性。最重要的过程制造复合纤维细纤维素粒子的分散在锅面团。在当前的研究中,化学方法和物理方法应用于提高分散。在物理方法中,纤维素颗粒的大小减少热处理和机械加工。最后,聚丙烯腈基复合碳纤维与纤维素粒子可以生产。这个结果揭示了复合纤维制备的可能性,将产生定制的属性。进一步研究相关的分析复合碳纤维的热性能和力学性能是必须的,而这些将通过持续的研究。

2。实验方法

2.1。材料

聚丙烯腈(PAN)前体作为碳纤维原料是由蓝星纤维有限公司,有限公司,中国,12 K,单拖uncrimped碳纤维。商用二甲亚砜(DMSO)的纯度为99%被用来使锅涂料的溶剂。这是来自Samcheon有限公司,本地供应商。微晶纤维素粒子平均兆瓦。~ 80000和体积密度为0.6 g / mL 25°C从西格玛奥德里奇有限公司购买,美国有限公司。

2.2。制备纤维素粒子的分散

由于大的长宽比纤维素粒子和分子间的氢键,很难分散盘涂料。为了改善这种色散和增加其稳定性,化学处理法和物理治疗方法应用。

2.2.1。化学处理

化学治疗是使用以下步骤执行。微晶纤维素粒子添加10 wt % DMSO溶液含有0.5 wt %氯化锂。在搅拌和肿胀12 h在70°C,键可以通过声波降解法消除。样本与去离子水清洗几次,然后干了12 h在真空烘箱中100°C。

2.2.2。物理治疗

分散的纤维素粒子是由热处理后机械铣。热处理条件300°C, 350°C, 400°C, 1200°C。详细的热处理条件如表所示1。在热处理的情况下在1200°C,纤维素粒子热处理在400°C用于第二热处理在1200°C N₂。潘涂料的制造过程包含纤维素粒子由三个步骤组成。在第一步中,纤维素粒子进行了热处理。在第二步中,粒子分散。在最后一步稳定DMSO溶液。准备使用的详细过程锅涂料包含分散纤维素粒子如图1。

热处理纤维素粒子与氧化锆球磨球在罐子里(直径3毫米)与乙醇48 h。铣、前后检查热处理粒子的大小。粒子的形状在碳纤维决心通过检查被高压夷为平地的纤维(超过10吨负载)使用光学显微镜(Optiphot 150、尼康、日本)。

2.3。准备PAN-Carbon纤维纤维素微粒子

为了准备一个锅涂料包含热处理纤维素粒子旋转,纤维素粒子的分散在涂料应稳定尺寸减少,这一过程包括铣粒子和选择微粒通过收集30%的纤维素粒子上清液的涂料。平均粒度使用粒度分析仪测定。

纺丝液准备使用各种工艺参数,如纤维素热处理条件和复合纤维的纤维素。涂料的详细条件如表所示2。浆,包括地面纤维素粒子,在烘箱中干燥24小时90°C。这些干粒子分散在DMSO溶液的均质器2 h。分类的小粒子,粒子漂浮在汽缸选择等效质量样品的沉积条件。净重的纤维素,可以计算出剩余的纤维素粒子,发现底部的圆柱。最后的纺丝液,与碳化纤维素混合,DMSO,和锅,准备如图2。

2.4。特征

2.4.1。热分析

热分解的起始和结束点的纤维素由于热处理条件下经TG / DTA结果(TA, TGA / SDTA 851 e,梅特勒-托利多)与N₂的气氛。

2.4.2。形态学观察

纤维素颗粒的微观结构由扫描电子显微镜(SEM)观察(FE-SEM、XL30、飞利浦)。大小和形态变化可能与治疗条件。

2.4.3。化学结构分析

热处理纤维素颗粒的化学结构是由傅里叶变换红外光谱(ir)检查(麦格纳IR550 Scinco)。可以获得适当的分子振动光谱在500厘米的范围⁻¹-4000厘米⁻¹。

2.4.4。晶体结构分析

碳化纤维素的晶体结构观察使用x射线衍射仪(XRD) (D8发现,力量)和热处理温度的变化。进行了测量的范围= 10°C-60°C。

2.4.5。粒度分析

碳化纤维的颗粒大小是通过粒度分析仪(LS 13 320年,贝克曼库尔特公司,美国)。

3所示。结果与讨论

3.1。纤维素粒子

热处理是为了理解进行热性能的纤维素和纤维素颗粒的最佳处理条件进行调查。本研究涉及的第一步准备涂料与适当的纤维素粒子自旋PAN纤维稳定分散。因为准备的稳定和碳化过程是至关重要的聚丙烯腈基碳纤维(11,12),热处理温度范围的选择碳纤维的稳定温度。建立了最优热处理条件范围基于以下热分析的结果。

热分解的结果研究纤维素的TG / DTA如图3。5 - 6%的减肥到100°C,这是所示地区“,”归因于physisorbed水的蒸发。的主要减肥纤维素发生在温度范围内“b”约260 - 350°C,由于无水葡萄糖的分解热解的债券。它源自水汽的蒸发,焦油,哦,有限公司,有限公司₂在分解过程中脱胶的左旋葡聚糖的糖苷。减肥不断发生,通过无水的分解纤维素,提高温度,直到温度达到400°C。这个结果是类似于Brunner结果报告(13)和Fengel韦格纳(14]。解释,纤维素发生的热分解,因为侧组(H,哦)被移除,被分解为小分子的羰基化合物开环的断链反应随着温度的增加(15]。的最大分解率被发现在335°C,通过DTA结果。温度后,分解率直线下降。在这个实验中,最后减肥是87%。尽管体重不断下降的温度达到400°C,亏损率低。这些现象可以解释为添加剂的热解红外光谱实验的结果。纤维素通过热处理的最终产品是无定形碳。

3.2。纤维素的形态

3.2.1之上。颗粒大小和分布

为了旋转锅涂料包含纤维素粒子,纤维素粒子的大小应该降低球磨为了使粒子通过旋转喷嘴(50μ米直径)。此外,纤维素颗粒大小应该小于最后的纤维直径的盘,在4-15的范围μm。粒度和粒度分布是决定通过粒度分析的结果,如图4。测量数据如表所示3平均粒径的分布40厘米/秒粒子样本分别为4.71μm和3.88μm,分别显示研究中的最小值。如图3,纤维素粒子最初分解在260°C - 350°C。当温度超过400°C,热分解终止,大部分的氢结合有机物质被移除。最后,纤维素粒子被转换为非晶碳弱键,使粒子更容易被磨由于铣效率最高的一个条件40厘米/秒。

这个解释可以支持的傅立叶变换红外光谱结果显示,40厘米/秒中间产品的碳结构。的平均粒径移动电话40/120样,这是40厘米/秒纤维素样品在1200°C,是5.14μm。在1200°C在碳化过程中,碳结构形成与减肥和结合力同时增加。

正如前面提到的,在这个实验中得到优良的纤维素粒子沉降的方法。尽管在涂料粒子的沉降速度是不同的样本,获得纤维素颗粒的平均粒径,这被认为是“在感兴趣区域最大大小”表3显示,类似的大小从2.8μ米至2.1μm。

3.2.2。纤维素粒子的形态

中粒子的分散研究纤维素涂料进行了使用化学治疗和物理治疗方法。首先,采用氯化锂作为添加剂的化学方法可能会导致肿胀和溶解纤维素16]。图5显示(a)原纤维素粒子的形态和化学处理纤维素粒子(b)。纤维素的形状是一个线性链葡萄糖,这是与它的结构取决于有关在哪里数量从100年到10000年。化学治疗,由超声治疗采用氯化锂,紧随其后的是表面处理删除绑定微纤维之间的物质溶解糖苷键。酸性水解反应会影响解散。似乎有一些限制的大小减少之间的联系的化学方法,因为微纤维链由于氢键在洗涤过程中发生的水被用来消除⁺离子。这使得很难单独的粒子样本时互相干空气中。最后,纤维素粒子化学治疗是通过喷嘴太大旋转时在纺丝液混合。

第二种方法用于纤维素粒子的分散是一个铣削过程后热处理。热处理及研磨纤维素粒子作为添加剂加入之前准备纺丝液。温度为300°C, 350°C, 400°C, 1200°C被选为热处理条件实现分散的最佳条件。

热处理后,可以观察到的微观结构形态变化,如图6。从扫描电镜照片可以看出microdebris的内容减少和总体规模较小的随着热处理温度的增加。的大小减少纤维素粒子是由无水葡萄糖分解成键由于热解超过240°C(直到温度达到400°C)。

可能怀疑是身体吸收水分和细纤维表面的热过程中分解的热处理温度高达300°C。为40厘米/秒和35厘米/秒,大部分的粒子在10μ米直径的粒子大小相比30厘米/秒显示,直径约20μm。在260°C - 350°C,部分中描述3.1,减少颗粒大小与热重量分析的结果一致,这表明减肥,因为无水葡萄糖环被毁。

尽管粒子的大小40厘米/秒样品和35厘米/秒样品相似,有不同的表面形状。的表面40厘米/秒样本不均匀,而表面的35厘米/秒样本相对平稳。这可能是解释的事实在少量的有机物质,直到温度达到350°C被温度在400°C时,由于热分解。为移动电话40/120,粒径增加。炭渣的分层结构的增长,已形成在前面的步骤中,被认为是由于芳构化,当温度超过400°C。

3.2.3。纤维素粒子的分散

图7代表了扁平的形状包含碳化纤维的纺PAN纤维光学显微镜观察。黑色的斑点,这是碳化纤维素粒子,可以观察到当纺纤维被夷为平地的压力20000 psi镜面抛光的金属板。这是密切相关的形态和性质碳化纤维素粒子尺寸如图6和表3,但纤维素微粒子在微米级别不能观察到由于光学显微镜的限制。碳化纤维的温度超过400°C可以观察到黑色;然而,纤维素粒子是由粒子,略深棕色热处理温度较低时,如图7(一)和7 (b)。

色散的热处理400°C和400°C / 1200°C表示纤维的细微差别;因此,可以得出结论,实现优秀的分散在这些条件。数据7(一)和7 (b)表明,粒子的凝聚。因此,纤维素粒子的分散在涂料更好的热处理温度高时。这些结果来自于分解的有机物质在高温纤维素,导致弱结合纤维素粒子,使他们很容易打破。

3.3。纤维素的化学结构

纤维素的化学结构的变化分析了热处理通过傅立叶变换红外光谱,如图8。所有的样品显示地伸展在3400厘米吸收带⁻¹。为厘米/秒00碳氢键相关样本,吸收带拉伸的纤维素可以观察到2900厘米⁻¹。许多吸收乐队与纤维素被发现的,比如C = O振动乐队在1635厘米⁻¹,CH₂弯曲的乐队在1426厘米⁻¹(17),和一段乐队在1106厘米C-O-C不对称⁻¹(18]。C-O-C拉伸的结果乐队在898厘米⁻¹在这个示例中,有一个小的无定形纤维素结构形式(17]。在的情况下35厘米/秒样本,特征峰纤维素,如2900厘米⁻¹和890厘米⁻¹-1500厘米⁻¹消失了,样例显示左旋葡聚糖的吸收19]。最终热处理的样本40厘米/秒发现纤维素峰的消失和左旋葡聚糖峰,和示例显示只有1635厘米的弱峰⁻¹有关C = O振动。

3.4。纤维素的晶体结构

纤维素的晶体结构改变粒子根据热处理条件显示在图中9。如图所示,未经处理的结果同意纤维素粒子晶体结构的JCPDS 03 - 0289(天然纤维素)。的最大峰值(002)出现在王,类似于其他结果报告的et al。20.]。随着热处理温度的增加超过350°C (40厘米/秒),纤维素的特征峰消失,然后显示一个非晶态结构。这个结果可以解释为侧基的分解反应,如图3。当温度增加到400°C,广泛的山峰可以观察到= 20 - 25=降价移动电话40/120石墨晶体结构有关。结果与红外光谱的结果(图重合8(图)和TGA结果3)。

4所示。结论

纤维素粒子的影响,研究了PAN涂料。为了达到一个稳定和fine-dispersed锅涂料、化学治疗和物理治疗进行纤维素粒子。物理治疗包括铣削过程之后,纤维素的碳化的热处理工艺。最后,得到了以下结论。(1)热/机械过程有更好的准备好影响纤维素粒子比化学处理过程在这个研究。(2)热处理的条件在400°C在空中显示最好的属性(平均粒径为4.71μ(3.88米)和尺寸分布μ米)。最后的颗粒大小是2.1的范围中选择μm - 2.8μ采用沉降法。(3)根据检查的结果与碳化纤维纺纤维的分散特性,碳化在400°C的条件显示相对较好的分散纤维素粒子的涂料。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项研究是财务支持的“基本研发项目技术研究生教育项目的研究的混合和超级纤维材料”通过贸易、工业和能源(MOTIE)和韩国发展研究所的技术(吉)(N0000993)。