碳纤维湿法造纸工艺及碳纤维纸基功能材料的研究进展

碳纤维(Carbon fibers, CF)是一种含碳量在90%以上的新型纤维材料,具有高强、高模、轻质、导电、耐高温和良好的化学稳定性等优异特性,作为一种基础工程材料被广泛应用于航空航天和轨道交通等领域。碳纤维纸因同时具备碳纤维优异的力学、电学和化学稳定性,以及纸基材料的均匀多孔和柔韧特性而被广泛应用于电磁防护、电加热、摩擦片、燃料电池气体扩散层和电极材料。近年来,碳纤维纸的制备工艺及碳纤维纸功能材料研究已经引起了学术界和工业界的广泛关注。基于此,本文综述了国内外碳纤维纸基功能材料的湿法造纸工艺及应用的研究进展,探讨了碳纤维纸发展所面临的问题,并对其未来应用进行了展望。

石墨烯/TOCNs导热复合材料的性能研究

以TEMPO氧化纳米纤维素(TEMPO-Oxidized Cellulose Nanofiber,TOCNs)为基材,石墨烯作为导热材料,通过真空辅助过滤制备了石墨烯/TOCNs导热复合材料,利用导热系数仪、热重分析仪(TG)、伺服材料多功能高低温控制试验机、多功能数字式四探针测试仪对石墨烯/TOCNs的导热性能、热稳定性、力学性能及电学性能进行了表征。结果表明,当石墨烯添加量40%时,石墨烯/TOCNs的导热系数为1.391 W/(m·K),比TOCNs的导热系数1.006 W/(m·K)提高38.27%;同时,石墨烯/TOCNs的热分解Tg10%为237.2℃,比TOCNs的 T g10%的214.8℃提高10.4%;石墨烯/TOCNs的拉伸强度为37.64 MPa,表面电阻降为87.75 Ω/□。

还原氧化石墨烯/芳纶纳米纤维复合膜的制备及其热传导性能研究

近年来,芳纶纳米纤维(ANF)因其优异的机械性能和耐候性能而备受学者们的关注,然而,较低的热导率极大的限制了其应用领域.基于此,本文采用还原氧化石墨烯(RGO)作为添加剂来提高ANF薄膜的热传导性能,系统表征了RGO/ANF复合膜的组成、结构、润湿性和热导率.结果表明:RGO/ANF复合物的热导率随着RGO含量的增加而增加,40%的RGO添加量可使ANF薄膜的热导率提升540.1%,高的热导率源于RGO优良的热传导性能;复合膜的疏水性也随着RGO含量的增加而增加.

高导热氮化硼/芳纶沉析复合薄膜的制备及性能

利用多巴胺(DA)的氧化自聚合特性,对六方氮化硼(h-BN)进行表面修饰,并以多巴胺改性后的氮化硼(h-BN@PDA)为导热填料,对基体芳纶沉析纤维(AF)进行填充,通过真空辅助抽滤法制备多巴胺改性氮化硼/芳纶沉析(h-BN@PDA/AF)复合薄膜,并对其微观形貌、表面官能团、导热性能、绝缘性能及力学性能进行研究.结果表明,聚多巴胺(PDA)包覆在h-BN表面,并引入活性基团,与AF纤维产生氢键,改善了两者的界面结合,显著提高了复合薄膜导热性能及绝缘性能.当h-BN@PDA含量为70%时,h-BN@PDA/AF复合薄膜的导热系数为1.36 W/(m·K),与纯芳纶沉析薄膜相比,导热系数的增幅约为697.65%,体积电阻率为5.96×10^14Ω·m,拉伸模量高达287.19 MPa.

芳纶纳米纤维/丝素蛋白复合薄膜的制备及其性能研究

芳纶纳米纤维具有轻质、绝缘、高强、耐高温等特点,广泛应用于电气绝缘以及电池电极等领域,为使其适应更加苛刻的环境,提高基础力学性能显得尤为重要.天然丝素纤维具有高达300~400 MPa的极限拉伸强度,26%的断裂伸长率和70~78 MJ·m^(-3)的韧性.近年来已经有研究证明丝素蛋白可以有效的增强聚氨酯、纤维素、氧化石墨烯等物质,然而还未有关于丝素蛋白增强芳纶纳米纤维的报道.通过裂解宏观芳纶纤维制备了芳纶纳米纤维(ANF),然后将蚕茧经脱胶溶解得到的丝素蛋白(SF)作为添加剂制备了ANF/SF复合薄膜,考察了SF对ANF薄膜微观形貌、化学结构、力学性能、热稳定性、润湿性和绝缘性能的影响规律.结果表明:SF能使ANF薄膜的结构致密化,并有效提升纤维间的界面粘合力,复合薄膜的力学和绝缘性能获得大幅度提升;当SF的添加量为0.6 wt.%时,ANF/SF复合薄膜的拉伸强度、韧性和断裂伸长率分别为261.4 MPa、38.8 MJ·m^(-3)和22.7%,相比于ANF薄膜分别提升了157%、384%和241%.当SF的添加量为1.0 wt.%时,复合材料的介电击穿强度达到61.9 kV·mm^(-1),相比于ANF薄膜提升了153%.

多壁碳纳米管-细菌纤维素复合薄膜的制备及其力学性能

开发和利用绿色生物质材料能够降低石油基聚合物的消耗,但与单根细菌纤维素(BC)相比,BC薄膜表现出较低的力学性能,限制了其应用领域。为协同提高BC复合薄膜的强度和韧性,本文以BC为基体,通过对其碱处理、2,2,6,6-四甲基哌啶-氮-氧化物(TEMPO)氧化处理得到TEMPO氧化的BC(TOBC),并引入羧基化多壁碳纳米管(CNT)作为增强体,采用真空抽滤技术制备出CNT-TOBC复合薄膜,着重探究了CNT的添加对TOBC薄膜力学性能和微观形貌的影响,并探讨其增强增韧机制。研究结果表明:当CNT的添加量为7.5wt%时,CNT-TOBC复合薄膜的力学性能最佳,其断裂应力、伸长率及韧性分别为174 MPa、10.83%和12.01 MJ·m^(-3),相比纯的TOBC薄膜分别提高了56.76%、144.47%和295.07%,这主要归因于CNT与TOBC间的氢键相互作用、CNT内在高强度及外在增韧机制。研究结果为提高复合材料的界面结合和力学性能提供了一种切实可行的方法,并进一步拓宽了TOBC在柔性电子衬底、智能包装等领域的应用。

芳纶沉析纤维-多巴胺/聚酰亚胺-酚醛树脂复合膜的力学及摩擦磨损性能

以聚酰亚胺(PI)纤维和酚醛树脂(PF)为基体,通过对PI纤维表面进行多巴胺(PDA)修饰,并引入芳纶沉析纤维(AF)作为增强体,采用湿法成型和热压固化技术制备了15wt%AF和7.5wt%PDA的AF-PDA/PI-PF复合膜,重点研究了AF的添加和PDA改性修饰对PI-PF复合膜力学性能和摩擦磨损性能的影响,并探讨了其磨损机制。研究结果表明:当添加AF并对PI纤维进行PDA改性时,AF-PDA/PI-PF复合膜的应力为47.54MPa,抗张指数为56.91N·m·g^-1,层间结合强度为1 265.6J·m^-2,相比PI-PF复合膜分别提高了33.65%、41.67%和64.11%;磨损率为1.01×10^-4 mm^3·J^-1,约降低了34.84%,其磨损机制主要为黏着磨损。这是由于PI纤维与AF可形成"互穿网络"结构,此外,PDA对PI纤维的化学改性处理可增加PI纤维表面活性,AF和PDA对提高PI纤维与树脂间的界面结合力及AF-PDA/PI-PF复合膜的力学性能和摩擦磨损性能起到协同作用。