聚吡咯/碳纤维纸基电热复合材料的制备与性能研究
发布时间：2021-07-14 11:16
随着电热材料慢慢进入人们的日常生活中,人们对电热材料的要求也越来越高,因此研究人员正在积极探寻发热效果优异且对人体健康有益的发热材料。碳纤维导电纸和聚吡咯（PPY）都具有良好的导电发热效果,且碳纤维导电纸发热产生的远红外线能够促进人体血液流通,但其很难做到发热均匀且发热温度较高。因此本研究的目的就是采用少量的碳纤维（CF）与其他纤维制备得到碳纤维分散均匀的碳纸前驱体（CPP）,然后让PPY均匀分布在CPP上,最终得到发热均匀且发热温度较高的电热纸基复合材料。本文先通过湿法造纸成型技术得到碳纤维分散均匀的CPP,然后再采用液相聚合法和气相聚合法,使吡咯（PY）单体的亚胺键与芳纶浆粕的酰胺键形成氢键,并在氧化剂和掺杂剂作用下,在CPP上分别聚合得到液相聚吡咯/碳纤维（LPPY/CF）纸基复合材料和气相聚吡咯/碳纤维（GPPY/CF）纸基复合材料。并探讨它们最佳制备工艺,分别得到各自最低的电阻率。结果表明:CF含量为10wt%时,抄造的CPP效果最佳;选用90wt%的芳纶浆粕（AR）和10wt%的CF制备CPP,并在过硫酸铵（APS）为氧化剂,蒽醌-2-磺酸钠（AQS）为掺杂剂,吡咯（PY）...
【文章来源】：江南大学江苏省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：61 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
聚丙烯腈(PAN)均聚物的化学结构
江南大学硕士学位论文6通过以下简单的化学反应转化为碳纤维，反应式如图3。图1-2人造丝的化学结构Fig.1-2chemicalstructureofRayon图1-3人造丝转化为碳纤维反应式Fig.1-3Reactionformulaofrayonintocarbonfiber主要的反应通过以下简化的机制来描述：(1)25~150°C时吸附水的物理去除。(2)150~240°C下纤维素环的脱水反应。(3)240~400下，自由基反应，C=O和C-C键断裂。(4)400–700°C下进行芳香化。(5)碳化至1500°C。(6)石墨化至2900℃。考虑到粘胶基前驱体复杂的加工条件，碳纤维制造商将其作为生产碳纤维前驱体的可行来源之前，还需要进一步的研究[52]。1.2聚吡咯1.2.1导电聚合物导电聚合物，又称导电高分子，是通过掺杂引入一对阴离子（p－型掺杂）或者一对阳离子（n－型掺杂），同时具有高分子链结构的物质。聚吡咯(PPY)、聚苯胺(PANi)和聚噻吩(PEDOT)都是π共轭导电聚合物，并被称为内在导电聚合物。这些共轭聚合物的用途是由于它们能够作为薄膜沉积在基体或衬底上。它们通常是氧化聚合或者使用电化学技术在溶液中掺杂。由于其在天然纤维、人造纤维、合成纤维或复合材料中的潜在应用，因此受到了各个领域研究人员的高度关注。它们具有良好的导电性、高稳定性和良好的成膜性[53-55]。导电聚合物的导电性归因于π键电子在聚合物主链上的迁移，使得具有电子性能，并具有低电离电势和高电子亲和力[56]，因此导电聚合物作为电子导体，近年来在科学活动中引起了广泛的关注。而在π共轭体系的导电聚合物（PPY、PANi和PEDOT）中，聚吡咯最受关注，这是由PPY具有优异的导电
第一章绪论7性、良好的环境稳定性和易于制备等特性，因此被研究人员广泛开发应用于商业用途[57-60]。1.2.2导电聚合物聚合方法导电聚合物有三种聚合方法。分别是湿式化学氧化法、电化学聚合法和气相聚合法。前面两种方法较为常用，这里主要介绍气相聚合法。气相聚合是一种引入单体的技术，以蒸气形式沉积到氧化剂涂覆的基材上。然后聚合反应在含有氧化剂的蒸汽界面发生，如图1-4所示，气相聚合可以是化学气相聚合或电化学气相聚合。化学气相聚合是一个无溶剂工艺，用于在不同基材上获得均匀且薄的导电聚合物层。Stussi等人[61]将气相聚合法描述为一种创新的技术方法，可以在基材上形成均匀厚度的任何所需形式的导电聚合物层。气相沉积工艺相比其他工艺方法，由于单体以蒸气而不是溶液的形式施加，并且没有液体颗粒充当传输介质，能够在基材上形成更高电导率的导电层。Lawal等人[62]设计的气相聚合装置如图1-4所示。其电极是通过铂溅射在玻璃外壁上喷涂而制成的。铂电极在微粉布上使用0.3μm氧化铝抛光，并进行超声处理。将Nafion浇铸到工作圆盘电极上，并在室温下蒸发乙醇，然后在气相中进行电化学聚合。将电极放在电解池中，并在其中将氮气鼓泡到吡咯单体中以产生蒸汽（图1-4），随后进行气相电化学聚合。图1-4气相聚合室原理图[62]Fig.1-4Schematicdiagramofvapourphasepolymerisationcel[62]1.2.3聚吡咯应用领域聚吡咯(PPY)具有较高的电导率、长期的环境稳定性以及易于通过化学或电化学手段合成等优点，使得被用于构建化学传感器，生产光伏电池、致动器和电化学电池等。且PPY的比表面积大、表面反应活性高、表面活性中心多、吸附能力强、催化效率高等优点，因此PPY经常应用于酶、抗体或单链DNA的生物传感器的设计。由于PPY的?
【参考文献】：
期刊论文
[1]高导电性聚吡咯涂层织物的制备[J]. 何青青,徐红,毛志平,张琳萍,钟毅,吕景春. 纺织学报. 2019(10)
[2]功能化聚吡咯纳米复合材料的应用研究进展[J]. 郭宁. 合成技术及应用. 2019(03)
[3]全球导电聚合物行业趋势分析[J]. 涂层与防护. 2019(08)
[4]聚吡咯基吸附和电磁复合材料的研究进展[J]. 毛文静,邹赛,唐滔,韦燕婷,王彦斌,孙万虹. 高分子通报. 2019(08)
[5]碳纤维预制体结构对C/C复合材料及其螺栓力学性能的影响[J]. 庞生洋,王佩瑶,胡成龙,赵日达,汤素芳. 无机材料学报. 2019(12)
[6]碳纤维复合材料薄壁圆筒的轴向导热系数测试[J]. 赵伟利,郭子学,冉波,谢庆. 原子能科学技术. 2019(03)
[7]聚吡咯/聚多巴胺的电化学合成及其对铝合金耐蚀性的影响[J]. 聂铭,黄丰,王珍高,付如民,宁成云. 复合材料学报. 2019(10)
[8]自组装聚合法制备木质素磺酸/聚吡咯柔性导电纸[J]. 黄文靖,丁子先,邱学青,杨东杰. 高等学校化学学报. 2018(11)
[9]碳纤维进展:从聚乙烯基前驱体到碳纤维[J]. A.De Palmenaer,G.Wortberg,T.Rding,T.Gries,M.Merke,G.Seide,李婷. 国际纺织导报. 2018(09)
[10]基于原位聚合法制备聚吡咯涂层针织物及其热学性能研究[J]. 李雅芳,刘猛,刘皓,康卫民,李晓久. 化工新型材料. 2018(05)
博士论文
[1]电解质溶液中聚吡咯降解关键影响因素的作用机制及其动力学模型[D]. 金珍珍.华中科技大学 2019
[2]PAN基碳纤维前驱体组成与碳纤维形成过程中结构演变的关联性[D]. 付中禹.长春工业大学 2018
[3]基于分子设计的非贵金属氮掺杂碳材料的催化性能研究[D]. 何飞.东南大学 2017
[4]导电聚吡咯腐蚀过程的电化学机制[D]. 齐锴.华中科技大学 2014
[5]PAN基碳纤维表面物理化学结构对其氧化行为的影响研究[D]. 李昭锐.北京化工大学 2013
硕士论文
[1]碳纤维/聚吡咯复合电极制备及电化学性能研究[D]. 刘亚敏.天津工业大学 2018
[2]真空热压法制备连续单向碳纤维增强铝基层板复合材料组织及性能研究[D]. 肖晨琛.南昌航空大学 2017
[3]基于聚吡咯电极制备的柔性电化学电容器研究[D]. 袁伟.山西大学 2017
[4]不同电解质中柔性聚吡咯/碳纤维的电容性能研究[D]. 周雯.山西大学 2016
[5]导电聚吡咯的腐蚀机理研究[D]. 夏晨.华中科技大学 2016
[6]聚吡咯腐蚀过程的动力学行为研究[D]. 王瑶.华中科技大学 2017
[7]原位聚合法制备聚吡咯包覆型导电纸的工艺与机理研究[D]. 丁春跃.东北林业大学 2010
[8]PAN基碳纤维微结构特征的研究[D]. 张新.北京化工大学 2008
本文编号：3284037
【文章来源】：江南大学江苏省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：61 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
聚丙烯腈(PAN)均聚物的化学结构
江南大学硕士学位论文6通过以下简单的化学反应转化为碳纤维，反应式如图3。图1-2人造丝的化学结构Fig.1-2chemicalstructureofRayon图1-3人造丝转化为碳纤维反应式Fig.1-3Reactionformulaofrayonintocarbonfiber主要的反应通过以下简化的机制来描述：(1)25~150°C时吸附水的物理去除。(2)150~240°C下纤维素环的脱水反应。(3)240~400下，自由基反应，C=O和C-C键断裂。(4)400–700°C下进行芳香化。(5)碳化至1500°C。(6)石墨化至2900℃。考虑到粘胶基前驱体复杂的加工条件，碳纤维制造商将其作为生产碳纤维前驱体的可行来源之前，还需要进一步的研究[52]。1.2聚吡咯1.2.1导电聚合物导电聚合物，又称导电高分子，是通过掺杂引入一对阴离子（p－型掺杂）或者一对阳离子（n－型掺杂），同时具有高分子链结构的物质。聚吡咯(PPY)、聚苯胺(PANi)和聚噻吩(PEDOT)都是π共轭导电聚合物，并被称为内在导电聚合物。这些共轭聚合物的用途是由于它们能够作为薄膜沉积在基体或衬底上。它们通常是氧化聚合或者使用电化学技术在溶液中掺杂。由于其在天然纤维、人造纤维、合成纤维或复合材料中的潜在应用，因此受到了各个领域研究人员的高度关注。它们具有良好的导电性、高稳定性和良好的成膜性[53-55]。导电聚合物的导电性归因于π键电子在聚合物主链上的迁移，使得具有电子性能，并具有低电离电势和高电子亲和力[56]，因此导电聚合物作为电子导体，近年来在科学活动中引起了广泛的关注。而在π共轭体系的导电聚合物（PPY、PANi和PEDOT）中，聚吡咯最受关注，这是由PPY具有优异的导电
第一章绪论7性、良好的环境稳定性和易于制备等特性，因此被研究人员广泛开发应用于商业用途[57-60]。1.2.2导电聚合物聚合方法导电聚合物有三种聚合方法。分别是湿式化学氧化法、电化学聚合法和气相聚合法。前面两种方法较为常用，这里主要介绍气相聚合法。气相聚合是一种引入单体的技术，以蒸气形式沉积到氧化剂涂覆的基材上。然后聚合反应在含有氧化剂的蒸汽界面发生，如图1-4所示，气相聚合可以是化学气相聚合或电化学气相聚合。化学气相聚合是一个无溶剂工艺，用于在不同基材上获得均匀且薄的导电聚合物层。Stussi等人[61]将气相聚合法描述为一种创新的技术方法，可以在基材上形成均匀厚度的任何所需形式的导电聚合物层。气相沉积工艺相比其他工艺方法，由于单体以蒸气而不是溶液的形式施加，并且没有液体颗粒充当传输介质，能够在基材上形成更高电导率的导电层。Lawal等人[62]设计的气相聚合装置如图1-4所示。其电极是通过铂溅射在玻璃外壁上喷涂而制成的。铂电极在微粉布上使用0.3μm氧化铝抛光，并进行超声处理。将Nafion浇铸到工作圆盘电极上，并在室温下蒸发乙醇，然后在气相中进行电化学聚合。将电极放在电解池中，并在其中将氮气鼓泡到吡咯单体中以产生蒸汽（图1-4），随后进行气相电化学聚合。图1-4气相聚合室原理图[62]Fig.1-4Schematicdiagramofvapourphasepolymerisationcel[62]1.2.3聚吡咯应用领域聚吡咯(PPY)具有较高的电导率、长期的环境稳定性以及易于通过化学或电化学手段合成等优点，使得被用于构建化学传感器，生产光伏电池、致动器和电化学电池等。且PPY的比表面积大、表面反应活性高、表面活性中心多、吸附能力强、催化效率高等优点，因此PPY经常应用于酶、抗体或单链DNA的生物传感器的设计。由于PPY的?
【参考文献】：
期刊论文
[1]高导电性聚吡咯涂层织物的制备[J]. 何青青,徐红,毛志平,张琳萍,钟毅,吕景春. 纺织学报. 2019(10)
[2]功能化聚吡咯纳米复合材料的应用研究进展[J]. 郭宁. 合成技术及应用. 2019(03)
[3]全球导电聚合物行业趋势分析[J]. 涂层与防护. 2019(08)
[4]聚吡咯基吸附和电磁复合材料的研究进展[J]. 毛文静,邹赛,唐滔,韦燕婷,王彦斌,孙万虹. 高分子通报. 2019(08)
[5]碳纤维预制体结构对C/C复合材料及其螺栓力学性能的影响[J]. 庞生洋,王佩瑶,胡成龙,赵日达,汤素芳. 无机材料学报. 2019(12)
[6]碳纤维复合材料薄壁圆筒的轴向导热系数测试[J]. 赵伟利,郭子学,冉波,谢庆. 原子能科学技术. 2019(03)
[7]聚吡咯/聚多巴胺的电化学合成及其对铝合金耐蚀性的影响[J]. 聂铭,黄丰,王珍高,付如民,宁成云. 复合材料学报. 2019(10)
[8]自组装聚合法制备木质素磺酸/聚吡咯柔性导电纸[J]. 黄文靖,丁子先,邱学青,杨东杰. 高等学校化学学报. 2018(11)
[9]碳纤维进展:从聚乙烯基前驱体到碳纤维[J]. A.De Palmenaer,G.Wortberg,T.Rding,T.Gries,M.Merke,G.Seide,李婷. 国际纺织导报. 2018(09)
[10]基于原位聚合法制备聚吡咯涂层针织物及其热学性能研究[J]. 李雅芳,刘猛,刘皓,康卫民,李晓久. 化工新型材料. 2018(05)
博士论文
[1]电解质溶液中聚吡咯降解关键影响因素的作用机制及其动力学模型[D]. 金珍珍.华中科技大学 2019
[2]PAN基碳纤维前驱体组成与碳纤维形成过程中结构演变的关联性[D]. 付中禹.长春工业大学 2018
[3]基于分子设计的非贵金属氮掺杂碳材料的催化性能研究[D]. 何飞.东南大学 2017
[4]导电聚吡咯腐蚀过程的电化学机制[D]. 齐锴.华中科技大学 2014
[5]PAN基碳纤维表面物理化学结构对其氧化行为的影响研究[D]. 李昭锐.北京化工大学 2013
硕士论文
[1]碳纤维/聚吡咯复合电极制备及电化学性能研究[D]. 刘亚敏.天津工业大学 2018
[2]真空热压法制备连续单向碳纤维增强铝基层板复合材料组织及性能研究[D]. 肖晨琛.南昌航空大学 2017
[3]基于聚吡咯电极制备的柔性电化学电容器研究[D]. 袁伟.山西大学 2017
[4]不同电解质中柔性聚吡咯/碳纤维的电容性能研究[D]. 周雯.山西大学 2016
[5]导电聚吡咯的腐蚀机理研究[D]. 夏晨.华中科技大学 2016
[6]聚吡咯腐蚀过程的动力学行为研究[D]. 王瑶.华中科技大学 2017
[7]原位聚合法制备聚吡咯包覆型导电纸的工艺与机理研究[D]. 丁春跃.东北林业大学 2010
[8]PAN基碳纤维微结构特征的研究[D]. 张新.北京化工大学 2008
本文编号：3284037
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