碳纤维/磁性纳米颗粒/高分子共轴纤维复合支架构建及其对成纤维细胞的作用研究

目的构建碳纤维/磁性纳米颗粒/高分子共轴纤维复合支架,研究支架的微观形貌及理化性质,初步评价支架对成纤维细胞生长的作用。方法采用共轴静电纺丝技术制备纤维薄膜,芯层为聚乳酸,壳层为明胶,各层均含有Fe_(3)O_(4)纳米颗粒,在薄膜层中间加入碳纤维,得到复合支架。通过扫描电子显微镜观察电纺丝纤维及碳纤维的微观结构,使用四探针测试仪、震荡样品磁强计、电子万能试验机和差示扫描量热仪检测支架的电导率、磁滞回线、弹性模量和热行为。用激光共聚焦显微镜观察成纤维细胞形貌,利用细胞增殖-毒性检测试剂盒评价细胞活性。结果电纺丝纤维呈无规缠结状态,碳纤维均匀散布在电纺丝薄膜上。Fe_(3)O_(4)纳米颗粒和碳纤维的加入均提高了复合纤维薄膜的电传导性和弹性模量,Fe_(3)O_(4)纳米颗粒还赋予复合薄膜以超顺磁响应性。细胞在支架上能正常生长,与对照组相比,复合支架上细胞的骨架蛋白F-actin表达水平显著升高,且骨架纤维更具张力。结论复合支架获得了超顺磁响应性和导电性,并可显著促进成纤维细胞的生长。

PAN基碳纤维高温处理氮脱除动力学研究

利用元素分析研究了聚丙烯腈基碳纤维在1500℃和1900℃高温处理过程中纤维组成随时间的变化规律,随着处理时间的延长,纤维中C含量逐渐提高,N含量逐渐降低。动力学分析表明高温条件下碳纤维中N脱除符合一级反应特点,N脱除表观活化能Ea为272.2 kJ/mol,指前因子A0=6.99×10^(-9)。以此动力学参数建立的碳纤维中N高温脱除的动力学模型预测了碳纤维中N含量在1400~2400℃范围内随处理温度的变化规律,并以国产碳纤维进行了实验验证,发现所建立的动力学模型与实际具有很好的一致性。

硫酸体系下高模碳纤维在不同电场环境中的阳极氧化行为

高模量碳纤维的惰性表面导致其与树脂基体之间薄弱的界面结合,限制高模量碳纤维复合材料在众多应用场景中性能的发挥。阳极氧化作为目前唯一可与碳纤维生产线并线运行的表面处理技术,常用的以碳酸氢铵为代表的碱性电解质在氧化高模碳纤维时效果有限,氧化性更强的酸性电解质体系下的阳极氧化机制缺乏系统研究。采用稀硫酸对模量为371 GPa的碳纤维进行电化学阳极氧化处理,系统研究电流密度、电解质浓度等关键要素对高模量碳纤维表面极性结构的影响规律,继而研究表面处理效果对碳纤维/环氧树脂复合材料界面剪切强度的影响规律,建立表面处理要素与复合材料界面性能的关联性。结果表明:处理后的碳纤维在保持原有表面形貌和石墨化结构的基础上,在碳纤维的无定型碳和芳香环状结构区域发生氧化反应,反应后纤维表观石墨化程度降低,表面能增大,表面含氧官能团含量增加。在当硫酸浓度为1.0%(质量分数)、电流密度为0.26 mA/cm^(2)时,此时碳纤维的表面能最高,为57.7 mN/m,相比于未处理的碳纤维提高了62.08%,与环氧树脂的界面剪切强度达到80.9 MPa,相对于未处理对应的21.8 MPa提高了2.7倍,处理后碳纤维的单丝拉伸强度不受损。

碳纤维/环氧树脂复合材料加速热氧老化研究

以T700-CF/828+TDE-85复合材料为研究对象,分别在160℃、180℃和200℃下对其进行了60天的加速热氧老化,研究了老化过程中复合材料的失重率、力学性能、玻璃化转变温度以及化学结构的变化,分析了其热氧老化机理。用TG法研究了该复合材料的热解动力学,应用Flynn-Wall-Ozawa法计算热解平均活化能(E=92.98kJ/mol),并用热解动力学参数预测材料的寿命。

碳纤维表面处理对室温硫化硅橡胶复合材料性能的影响

以分别经α-氨丙基三乙氧基硅烷(KH550)、浓硝酸、浓硝酸-KH550处理的短切碳纤维作为功能组分,制备室温硫化硅橡胶复合材料,研究了碳纤维处理方法对复合材料的力学性能、热性能和烧蚀性能的影响。结果表明,添加经浓硝酸-KH550连续处理碳纤维时,复合材料的性能最好;性能最佳复合材料的拉伸强度和撕裂强度分别为4.0 MPa和20.3 kN/m,起始分解温度提高到509.3℃,而线烧蚀率和质量烧蚀率分别降低至0.148 mm/s和0.062 g/s。

碳纤维表面物理结构对复合材料界面剪切强度的影响

以3种典型碳纤维为研究对象,通过碳纤维断面形貌的扫描电镜分析,采用Photoshop对纤维截面特征进行有效提取并由Matlab编写程序,获得了碳纤维表面沟槽深度、宽度、个数等参数的统计信息,据此进一步计算了圆形度、沟槽深宽比、表面不规整度以及沟槽密集程度等物理量,建立了碳纤维表面物理沟槽结构的定量表征方法。在此基础上研究了原丝制备过程中的凝固环境对碳纤维表面物理结构的影响,并发现:当凝固浴温度由25℃升高至45℃时,碳纤维表面的沟槽深度及宽度均会逐渐减小,深宽比降低,沟槽形状逐渐趋于平缓,同时碳纤维的表面不规整度减小了约7.5%,而沟槽密集程度增加了约50%。采用上述具有不同表面物理结构特征的碳纤维作增强体制备复合材料,微滴脱粘测试结果表明:碳纤维复合材料的界面剪切强度(IFSS)随纤维表面的沟槽尺寸、沟槽深宽比及表面不规整度的增大而逐渐提高。

混合锆类粉体对高模量碳纤维表面改性的研究

混合锆类粉体是含有锆元素的无机陶瓷材料。采用溶胶-凝胶法与碳热还原法制备得到了ZrO_(2)、ZrB_(2)、ZrC、ZrN混合锆类陶瓷粉体,并利用连续上浆工艺将其涂覆到碳纤维表面。采用X射线衍射仪对锆类粉体进行了结构与组分的分析。通过扫描电子显微镜、热重测试研究了混合锆类粉体的加入对碳纤维表面形貌、耐热性能的影响。结果表明,实验条件下制备混合锆类粉体的最佳原料配比是n(Zr)∶n(B)∶n(C)=1∶2.5∶12,粉体的最佳烧结温度为1600℃,此时粉体中ZrB_(2)含量相对最多;高模碳纤维经过10%粉体上浆改性后,碳纤维的起始氧化温度从675.1℃升高到了717.9℃,氧化反应的表观活化能从76.41kJ/mol升高到115.43kJ/mol。

中间相沥青基碳纤维原丝用油剂的研究现状

碳纤维已在众多领域发挥着越来越重要的作用,质量是其应用的保障,碳纤维原丝用油剂则是其中一个极其重要的质量把控点。经过多年的努力,我国中间相沥青基碳纤维已处于工程化开发进程中,因此亟需专用油剂以保障碳纤维产品的性能与质量。对国内外沥青基碳纤维原丝专用油剂的研究情况进行了总结和分析,具体涉及油剂分类、成分及其功能,以及上油工艺等,重点讨论了油剂成分及上油工艺的改进情况,并对我国中间相沥青纤维油剂今后的研发方向进行了探讨,以期为本行业的研究人员提供一定的帮助。

碳纤维与磷脂分子聚集行为相关性研究

采用碳纤维作为基底材料,并利用光学显微镜进行观察,研究了磷脂分子在蒸馏水和无水乙醇体系中的聚集行为。实验结果表明,碳纤维在磷脂分子聚集过程中不可缺少,是磷脂分子聚集的必要条件。选用水和乙醇的混合溶液作为观察溶液时,其比例会影响磷脂分子的聚集。使用纯乙醇制备磷脂膜,并配合纯净蒸馏水进行观察,可以清楚地观察到磷脂分子聚集行为主要有3种:一是磷脂双分子层脱落聚集成聚集体;二是磷脂分子直接聚集形成聚集体;三是"前驱体"诱导聚集为聚集体。因而磷脂分子的聚集方式不惟一。

聚丙烯腈纤维径向致密结构的光密度法研究

凝固过程聚丙烯腈(PAN)初生纤维在径向上各点的双扩散程度不同,可能会造成PAN纤维在径向上致密结构的差异。首先采用光密度法测定PAN初生纤维径向的致密结构及其差异性的可行性和影响因素,在此基础上采用光密度法研究了凝固浴温度对PAN初生纤维致密性结构差异的影响。结果表明:对于PAN初生纤维,采用纤维切片厚度为4μm、调整入射光强使背景灰度为140时进行PAN初生纤维光密度的测定;保持凝固浴浓度恒定不变,凝固浴温度从25℃升高到65℃会导致PAN初生纤维的灰度降低、光密度值增大、纤维径向皮部与芯部的光密度差值增大,这表明随着凝固浴温度的升高,纤维的致密性降低、径向致密结构差异增大。光密度法可以用来定量表征PAN纤维的径向结构及其差异。

石墨化温度对PAN基高模量碳纤维微观结构的影响

以日本东丽公司T800碳纤维为原料,经不同温度的连续石墨化处理得到性能不同的高模量碳纤维。利用X射线衍射(XRD)和激光拉曼光谱(Raman光谱)研究了5种自制PAN基高模量碳纤维(1#,2#,3#,4#,5#)的微观结构。结果表明:随着石墨化温度的升高,石墨微晶尺寸Lc、La10、La110及取向度均逐渐增大,而d002和取向角则逐渐减小。石墨化温度越高,碳纤维的石墨化程度越高,结晶度越大。

热处理对PAN基碳纤维结构与性能的影响

以日本进口碳纤维(T300)和国产聚丙烯腈基碳纤维(GCF)为原材料,采用自制石墨化炉,在一定拉伸条件下,对T300及GCF进行1500～2100℃热处理,制备了不同性能的高模量聚丙烯腈基碳纤维(PAN-CFs)。采用广角X射线衍射、拉曼散射光谱、万能材料测试机等探讨了在热处理过程中PAN-CFs性能的演变规律,研究了PAN-CFs的力学性能与微观结构。结果表明:随着热处理温度升高,PAN-CFs的拉伸强度逐渐下降,拉伸模量逐渐上升,纤维的微晶尺寸和微晶取向度逐渐增大,石墨化程度越来越高,PAN-CFs的微观结构从二维乱层石墨结构向有序的三维层状结构发展。

低温碳化过程PAN氧化纤维骨架结构转变

为实现PAN纤维在低温碳化过程的结构调控,利用核磁共振碳谱(13C-NMR)研究了PAN预氧化纤维在500～800℃的低温碳化过程中骨架结构的演变.结果表明:在低温碳化过程中,随着碳化温度的升高,预氧化纤维骨架结构中饱和的CH、CH2和C O结构逐渐消失,共轭—HC C<和>C N—逐渐减小,共轭>C C<逐渐增加,纤维形成多层多环芳香结构;多环芳香结构平均层数与碳化温度密切相关,经500、600、700、800℃碳化处理后,纤维骨架结构中多环芳香结构平均层数分别达到1.29、2.17、2.81和3.42;在较低碳化温度(500℃),多环芳香结构平均层数随碳化处理时间延长增加不明显,在较高碳化温度(700℃),多环芳香结构平均层数随碳化处理时间呈线性增加.

PAN基高模量碳纤维微观结构研究

采用X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)和拉曼光谱(Raman光谱)研究了3种自制PAN基高模量碳纤维(1#,2#,3#)的微观结构,并与M40J,M46J,M55J碳纤维进行了对比。结果表明:3种自制PAN基高模量碳纤维微晶尺寸的大小顺序为3#>2#>1#;1#到3#碳纤维表面和截面Raman光谱所获得的R值(D峰和G峰的积分强度比)均减小,石墨化程度升高,结晶性变好;1#碳纤维的结晶性介于M40J碳纤维和M46J碳纤维之间,2#和3#介于M46J碳纤维和M55J碳纤维之间;三者的石墨化程度略高于M46J碳纤维。

碳纤维热氧化行为及其机理

对聚丙烯腈(PAN)基碳纤维进行热氧化处理,借助扫描电子显微镜、X射线光电子能谱,拉曼光谱等手段表征了PAN基碳纤维的热氧化行为,研究了其热氧化机理。结果表明:热氧化使PAN基碳纤维表面氧元素含量大幅升高,碳含量下降,氧以C—OH或C—O—C基团的形式吸附到表面、在550℃左右以C=O基团大量分解的形式腐蚀纤维,破坏纤维形貌;同时热氧化腐蚀纤维中的非石墨碳,使得有序的石墨结构向非石墨无序结构转变,破坏碳纤维的晶体结构。

热氧化对PAN基碳纤维结构与性能的影响

将PAN基碳纤维在于400-700℃条件下空气中进行热氧化处理,然后利用扫描电子显微镜（SEM）、X射线光电子能谱（XPS）、密度梯度管和纤维强力仪研究了其表面化学组成、表面形貌与性能的变化。结果表明：热氧化温度低于600℃时,纤维表面含氧量随热氧化温度升高不断增加,到600℃时氧含量增加了7.11%,主要增加的官能团为羟基、醚键以及羰基,纤维体密度、线密度随热氧化温度变化不明显;700℃时由于含氧官能团的裂解,氧含量有所减少,裂解部分主要为羰基,纤维体密度明显增加,线密度急剧减小;纤维强度随热氧化温度升高不断减小,600℃后减小趋势更加明显;模量随热氧化温度变化不明显。

聚苯硫醚/羟基改性多壁碳纳米管复合材料的非等温结晶行为

采用差示扫描量热(DSC)法研究了羟基改性多壁碳纳米管(MWCNTs-OH)填充聚苯硫醚(PPS)复合材料的结晶过程,并利用莫志深方程研究了PPS/MWCNTs-OH复合材料的非等温结晶动力学。结果表明,莫志深方程能较好地描述该体系的非等温结晶动力学过程,在达到相同结晶度时,莫志深方程中的两个参数F(T)和α均明显随着MWCNTs-OH添加量的增加而下降,定量说明PPS/MWCNTs-OH复合体系的结晶速率明显高于纯PPS,且随着MWCNTs-OH添加量的增加,结晶速度提高。但是熔融热(ΔHm)和结晶热(ΔHc)随着MWCNTs-OH添加量的增加均呈现出下降趋势,说明MWCNTs-OH的加入使PPS/MWCNTs-OH复合体系的结晶度降低。

4A分子筛和SiO_2对EVA/IFR复合材料性能的影响

以聚磷酸铵(APP)复配季戊四醇(PER)为膨胀型阻燃剂(IFR)制备了无卤阻燃乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)/IFR复合材料,通过极限氧指数仪、热失重分析仪及扫描电子显微镜研究分析了4A分子筛和SiO2的加入对复合材料阻燃性能、热稳定性能及复合材料残炭表面形貌的影响。结果表明,加入4A分子筛可以明显提高复合材料的极限氧指数,当添加1份4A分子筛时,复合材料的极限氧指数达到31%,比未添加时提高了2%;4A分子筛的加入使复合材料在燃烧过程出现熔融滴落现象;继续加入SiO2可以进一步提高复合材料的极限氧指数,当添加3份SiO2时,复合材料的垂直燃烧测试达到V-0级。

PAN基碳纤维中硅的高温演变规律研究

在聚丙烯腈基碳纤维原丝制备的上油工序中引入了硅元素。采用直流电弧原子发射光谱（DC-Arc-AES）、电子探针显微分析（EPMA）、X射线光电子能谱（XPS）等研究了碳纤维申硅元素的高温演变规律。结果表明，随着热处理温度的升高，碳纤维中的硅含量逐渐减小，在1400-2000℃时含量减小幅度达到85％，纤维芯部和边缘的硅元素都在流失，硅系油剂的高温演变产物主要是SiO2。

硅酸盐纳米短纤维增强三元乙丙橡胶复合材料的结构与性能

用硅烷偶联剂改性针状硅酸盐(FS)与三元乙丙橡胶(EPDM)机械共混,制备了EPDM/改性FS复合材料,研究了FS在EPDM中的分散性,考察了偶联剂和改性FS用量、FS所含自由水对复合材料力学性能和各向异性的影响。结果表明,经过偶联剂改性的FS能够解离成纳米纤维均匀分散于EPDM中,每100份FS的偶联剂最佳用量为24份;EPDM/改性FS复合材料具有短纤维增强橡胶复合材料的应力-应变特征和力学性能的各向异性,且随改性FS和偶联剂的用量增加,这种力学行为更加明显;FS中所含自由水对复合材料的常温和高温拉伸性能有明显影响。