碳纤维织物的化学改性及在电—热转换中的应用
发布时间：2021-09-23 11:47
人类赖以生存的环境是多种多样的,越来越多的工作人员需要在低温甚至严寒环境下工作,而人的机体功能无法使得人类在酷寒环境条件下生存。加热产品现在主要由太阳能加热材料、相变材料、化学能加热材料和电加热材料制备得到。不管是利用太阳能光蓄热元件吸收可见光和红外线,还是使用相变控温材料储能来达到供热的目的,都存在温度难以控制、适用领域较窄等缺点,很难满足严寒低温环境的保暖需求。电加热纺织品以温度响应快的优点受到人们的关注,并且远红外辐射机理的应用加快了电加热纺织品的发展。远红外辐射电发热织物由于其发射率高、安全性强、电热转换效率高、发热均匀等优点,是电发热织物行业发展的理想选择,因此开发新型远红外辐射碳纤维电加热织物具有广阔的发展前景。本课题通过多巴胺仿生修饰法对碳纤维织物进行改性,经过远红外整理工艺制备得到远红外辐射碳纤维织物,通过复合涤棉织物、导电铜箔等制备得到远红外辐射碳纤维复合织物,系统探究了多巴胺浓度、改性时间、改性温度对碳织物表面沉积量的影响、远红外整理溶液的配比对碳纤维织物的远红外性能的影响。最终发现,多巴胺仿生修饰对碳纤维织物表面光滑和缺少活性基团等状况具有优异的修饰效果,多巴胺浓...
【文章来源】：东华大学上海市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：59 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
电发热纺织品组成结构示意图
东华大学专业硕士学位论文绪论91.4.1.3碳纤维的多巴胺仿生修饰图1-2多巴胺结构式多巴胺（dopamine，3，4-二羟基苯丙胺）是海洋贻贝类生物分泌蛋白的主要成分，其结构如图1-2所示，其最大的特点是粘附性极强，研究发现，多巴胺可以黏附在各类基底表面，发生聚合产生聚多巴胺（Polydopamine，PDA），且稳定性较好。同样地，也有学者将多巴胺用于碳纤维表面改性的研究。Xu等[69]利用聚多巴胺作为黏附层粘附在碳材料表面，负载了Pt纳米粒子。张雪双等[70]探究了多巴胺改性碳纤维表面的最优条件，并在此基础上进行了二次接枝，研究表面，多巴胺浓度为2g/L，聚合时间4h，反应温度30℃时，多巴胺在碳纤维表面达到了最佳沉积条件。Liu等[71]将聚乙烯亚胺/聚多巴胺(PEI/PDA)复合，并对碳纤维进行表面改性，有效增强了碳纤维复合材料界面强度，为制备先进的热塑性复合材料提供了新的见解。张陈成等[72]通过多巴胺对碳纤维表面改性探究了多巴胺仿生修饰法对染料酶的固定作用，研究表明，多巴胺仿生修饰碳纤维成功地将漆酶附着在碳纤维表面。方忆超等[73]利用多巴胺对碳纤维改性，为提高碳纤维复合材料的性能提供了一种简单可行的方案，研究表明，多巴胺改性后的碳纤维表面变得粗糙，活性增强，引入了氮元素。1.4.2碳纤维的电热性能及电发热原理1.4.2.1碳纤维的电热性能碳纤维是石墨以错乱的结构排列，具有非常强的导电导热性能[74]，碳纤维有优异的柔软加工性，因此是导电导热材料的理想选择，碳纤维的电热性能主要体现在一下几个方面：（1）电热转换效率高碳纤维内部的非定域π电子的存在不仅使纤维具有导电性，而且使得纤维能够吸收可见光，让石墨呈现纯黑体外观。在电热转换过程中，产生的光波长为2.5~13μm，因此光通量小，电?
东华大学专业硕士学位论文绪论11图1-3多巴胺氧化聚合机理示意图多巴胺在材料表面聚合的机理还没有明确的定论。有研究学者认为，多巴胺聚合的基本原理是，多巴胺先在有氧的环境下失电子，被氧化成醌式结构，然后本身迈克尔加成反应，经过分子内环化及分子内重排后，生成5,6-二羟基吲哚，最后完成非共价自组装[80]。其反应过程如图1-3所示。Riley课题组认为多巴胺的聚合方式为反歧化交联，多巴胺先被氧化成醌式结构，然后通过单电子转移反应生成半醌自由基，最后经过自由基的偶联反应生成聚多巴胺[81]。近年来，研究学者通过研究多巴胺的氧化聚合体系，发现多巴胺的聚合是一个自由基的过程。Levkin等[82]通过不同的自由基加快多巴胺的氧化过程，2小时完成了沉积，并且实现了多巴胺在中性和酸性条件下的氧化聚合。Chen等[83]利用等离子体产生的自由基诱导多巴胺沉积，应用于材料的表面改性。因此，多巴胺氧化聚合的条件是处于氧化环境中或者引入自由基进行沉积，此外多巴胺的胺基基团对聚合过程也很重要，Zeng等[84]通过对多巴胺的胺基进行修饰，研究了多巴胺在胺基改变后多巴胺粘附性的普适性。研究发现，修饰了两性离子分子后，类多巴胺分子仍然有强健的黏附性；多巴胺的伯胺变成仲胺后，修饰的类多巴胺分子仅仅是通过儿茶酚和阳离子的协同作用组装黏附到基材表面。1.6本课题的研究意义、目的及内容1.6.1研究意义为较好得满足低温作业人员的需求，应积极促进柔软轻便、可快速升温的防寒服的制备和生产。随着新型电热材料的发展，电导热发热产品得到了广泛应用。
【参考文献】：
期刊论文
[1]电泳沉积氧化石墨烯的碳纤维表面改性及其增强环氧树脂复合材料界面性能[J]. 李娜,李晓屿,刘丽,汪路遥,徐少东,杨建成,黄玉东,王彩凤. 复合材料学报. 2020(07)
[2]发热材料及其在服装领域应用的研究进展[J]. 刘志艳,刘玉军,王新厚. 产业用纺织品. 2019(08)
[3]柔性电加热元件与智能加热服装服饰研究进展[J]. 方纾,刘皓,刘莉. 北京服装学院学报(自然科学版). 2019(02)
[4]碳纤维纸的电热性能研究[J]. 李红斌,房桂干,施英乔,邓拥军,沈葵忠,丁来保,韩善明,焦健,田庆文. 中国造纸. 2019(03)
[5]蒽醌染料的多巴胺改性活性碳纤维固定化漆酶脱色[J]. 张陈成,韩萍芳,吕效平,李亚,蒋云霞. 印染. 2018(14)
[6]多巴胺表面改性碳纤维对PVDF/CF复合材料性能的影响[J]. 方忆超,刘媛,刘新领,徐胜,杨斌. 功能高分子学报. 2018(04)
[7]远红外纺织品的制备与应用[J]. 吴波伟,黄顺伟. 产业用纺织品. 2018(01)
[8]从服装保暖谈电加热服的发展[J]. 范敏,赵胜男,罗汝楠,张辉. 纺织科技进展. 2017(08)
[9]电加热服装的电学安全性和发热功能性评价方法[J]. 郑兆和,伍伟新. 山东纺织科技. 2017(04)
[10]针织加热织物的设计及其电热性能测试[J]. 卢俊宇,陈莉,刘皓. 上海纺织科技. 2017(03)
博士论文
[1]碳纤维表面纳米结构的构筑及其复合材料性能研究[D]. 荣怀苹.东华大学 2013
[2]碳素电热元件的电热辐射性能研究[D]. 曹伟伟.山东大学 2009
硕士论文
[1]多种碳纤维表面改性方法对微生物细胞固着影响及机理研究[D]. 张超.西南交通大学 2019
[2]电热服的热性能分析与模拟[D]. 陈扬.浙江理工大学 2018
[3]电加热服装的服用性能研究[D]. 张妍.东华大学 2017
[4]柔性加热织物、薄膜的结构设计与热学性能研究[D]. 卢俊宇.天津工业大学 2017
[5]碳纤维的表面修饰及其复合材料界面性能的研究[D]. 张雪双.北京化工大学 2016
[6]基于需求计算的相变低温防护服热需求分析[D]. 李晓霞.苏州大学 2014
本文编号：3405649
【文章来源】：东华大学上海市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：59 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
电发热纺织品组成结构示意图
东华大学专业硕士学位论文绪论91.4.1.3碳纤维的多巴胺仿生修饰图1-2多巴胺结构式多巴胺（dopamine，3，4-二羟基苯丙胺）是海洋贻贝类生物分泌蛋白的主要成分，其结构如图1-2所示，其最大的特点是粘附性极强，研究发现，多巴胺可以黏附在各类基底表面，发生聚合产生聚多巴胺（Polydopamine，PDA），且稳定性较好。同样地，也有学者将多巴胺用于碳纤维表面改性的研究。Xu等[69]利用聚多巴胺作为黏附层粘附在碳材料表面，负载了Pt纳米粒子。张雪双等[70]探究了多巴胺改性碳纤维表面的最优条件，并在此基础上进行了二次接枝，研究表面，多巴胺浓度为2g/L，聚合时间4h，反应温度30℃时，多巴胺在碳纤维表面达到了最佳沉积条件。Liu等[71]将聚乙烯亚胺/聚多巴胺(PEI/PDA)复合，并对碳纤维进行表面改性，有效增强了碳纤维复合材料界面强度，为制备先进的热塑性复合材料提供了新的见解。张陈成等[72]通过多巴胺对碳纤维表面改性探究了多巴胺仿生修饰法对染料酶的固定作用，研究表明，多巴胺仿生修饰碳纤维成功地将漆酶附着在碳纤维表面。方忆超等[73]利用多巴胺对碳纤维改性，为提高碳纤维复合材料的性能提供了一种简单可行的方案，研究表明，多巴胺改性后的碳纤维表面变得粗糙，活性增强，引入了氮元素。1.4.2碳纤维的电热性能及电发热原理1.4.2.1碳纤维的电热性能碳纤维是石墨以错乱的结构排列，具有非常强的导电导热性能[74]，碳纤维有优异的柔软加工性，因此是导电导热材料的理想选择，碳纤维的电热性能主要体现在一下几个方面：（1）电热转换效率高碳纤维内部的非定域π电子的存在不仅使纤维具有导电性，而且使得纤维能够吸收可见光，让石墨呈现纯黑体外观。在电热转换过程中，产生的光波长为2.5~13μm，因此光通量小，电?
东华大学专业硕士学位论文绪论11图1-3多巴胺氧化聚合机理示意图多巴胺在材料表面聚合的机理还没有明确的定论。有研究学者认为，多巴胺聚合的基本原理是，多巴胺先在有氧的环境下失电子，被氧化成醌式结构，然后本身迈克尔加成反应，经过分子内环化及分子内重排后，生成5,6-二羟基吲哚，最后完成非共价自组装[80]。其反应过程如图1-3所示。Riley课题组认为多巴胺的聚合方式为反歧化交联，多巴胺先被氧化成醌式结构，然后通过单电子转移反应生成半醌自由基，最后经过自由基的偶联反应生成聚多巴胺[81]。近年来，研究学者通过研究多巴胺的氧化聚合体系，发现多巴胺的聚合是一个自由基的过程。Levkin等[82]通过不同的自由基加快多巴胺的氧化过程，2小时完成了沉积，并且实现了多巴胺在中性和酸性条件下的氧化聚合。Chen等[83]利用等离子体产生的自由基诱导多巴胺沉积，应用于材料的表面改性。因此，多巴胺氧化聚合的条件是处于氧化环境中或者引入自由基进行沉积，此外多巴胺的胺基基团对聚合过程也很重要，Zeng等[84]通过对多巴胺的胺基进行修饰，研究了多巴胺在胺基改变后多巴胺粘附性的普适性。研究发现，修饰了两性离子分子后，类多巴胺分子仍然有强健的黏附性；多巴胺的伯胺变成仲胺后，修饰的类多巴胺分子仅仅是通过儿茶酚和阳离子的协同作用组装黏附到基材表面。1.6本课题的研究意义、目的及内容1.6.1研究意义为较好得满足低温作业人员的需求，应积极促进柔软轻便、可快速升温的防寒服的制备和生产。随着新型电热材料的发展，电导热发热产品得到了广泛应用。
【参考文献】：
期刊论文
[1]电泳沉积氧化石墨烯的碳纤维表面改性及其增强环氧树脂复合材料界面性能[J]. 李娜,李晓屿,刘丽,汪路遥,徐少东,杨建成,黄玉东,王彩凤. 复合材料学报. 2020(07)
[2]发热材料及其在服装领域应用的研究进展[J]. 刘志艳,刘玉军,王新厚. 产业用纺织品. 2019(08)
[3]柔性电加热元件与智能加热服装服饰研究进展[J]. 方纾,刘皓,刘莉. 北京服装学院学报(自然科学版). 2019(02)
[4]碳纤维纸的电热性能研究[J]. 李红斌,房桂干,施英乔,邓拥军,沈葵忠,丁来保,韩善明,焦健,田庆文. 中国造纸. 2019(03)
[5]蒽醌染料的多巴胺改性活性碳纤维固定化漆酶脱色[J]. 张陈成,韩萍芳,吕效平,李亚,蒋云霞. 印染. 2018(14)
[6]多巴胺表面改性碳纤维对PVDF/CF复合材料性能的影响[J]. 方忆超,刘媛,刘新领,徐胜,杨斌. 功能高分子学报. 2018(04)
[7]远红外纺织品的制备与应用[J]. 吴波伟,黄顺伟. 产业用纺织品. 2018(01)
[8]从服装保暖谈电加热服的发展[J]. 范敏,赵胜男,罗汝楠,张辉. 纺织科技进展. 2017(08)
[9]电加热服装的电学安全性和发热功能性评价方法[J]. 郑兆和,伍伟新. 山东纺织科技. 2017(04)
[10]针织加热织物的设计及其电热性能测试[J]. 卢俊宇,陈莉,刘皓. 上海纺织科技. 2017(03)
博士论文
[1]碳纤维表面纳米结构的构筑及其复合材料性能研究[D]. 荣怀苹.东华大学 2013
[2]碳素电热元件的电热辐射性能研究[D]. 曹伟伟.山东大学 2009
硕士论文
[1]多种碳纤维表面改性方法对微生物细胞固着影响及机理研究[D]. 张超.西南交通大学 2019
[2]电热服的热性能分析与模拟[D]. 陈扬.浙江理工大学 2018
[3]电加热服装的服用性能研究[D]. 张妍.东华大学 2017
[4]柔性加热织物、薄膜的结构设计与热学性能研究[D]. 卢俊宇.天津工业大学 2017
[5]碳纤维的表面修饰及其复合材料界面性能的研究[D]. 张雪双.北京化工大学 2016
[6]基于需求计算的相变低温防护服热需求分析[D]. 李晓霞.苏州大学 2014
本文编号：3405649
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