PAN/MWCNTs微纳米纤维膜的制备及其层合板复合材料的吸波性能研究

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现代社会,人们在生活中相继遭遇水污染、空气污染、噪声污染和电磁污染,电磁污染被称为第四大污染,过量的微波辐射严重影响着人们的身体健康。用碳纳米管制备的吸波材料吸波频带宽、材料质量轻、材料兼容性好,使其在吸波应用领域显示出良好的发展前景。静电纺丝技术是一种最简单易行的制备纳米纤维的方法,被广泛的应用在过滤材料、生物医用、组织工程和复合材料方面。本课题将多壁碳纳米管(MWCNTs)加入聚丙烯腈(PAN)溶液中进行静电纺丝,旨在将碳纳米管和纳米纤维的优势结合起来,制备一种新型的层合板复合材料,探索其在吸波领域的应用。该研究内容对纳米吸波材料、结构型吸波材料的研究与应用具有一定的借鉴与指导意义。首先,为了探究PAN溶液的最佳纺丝参数以制得结构、性能稳定的微纳米纤维膜,本课题利用正交试验方法对影响PAN溶液静电纺丝的三个重要参数(溶质PAN质量分数、施加电压和接收距离)进行系统研究。通过观察PAN纳米纤维的外观形态,分析PAN纳米纤维直径分布,并结合正交试验的分析结果,确定PAN质量分数是影响纳米纤维直径分布的最重要工艺参数,并进一步对纺丝工艺参数进行优化,得到优化工艺参数。其次,在优化工艺参数的基础上,将MWCNTs加入PAN纺丝溶液中,制备PAN/MWCNTs微纳米纤维膜。为了改善MWCNTs在PAN溶液中分散均匀性与稳定性,对MWCNTs进行酸化处理和接枝改性,研究MWCNTs质量分数的大小对PAN溶液性质(黏度和电导率)的影响。测试结果表明:随着MWCNTs质量分数的增加,混合溶液的黏度呈指数上升,电导率呈现大幅增加的趋势。为了研究MWCNTs对微纳米纤维膜结构、性能的影响,利用扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)进行观察分析,结果表明:MWCNTs对PAN/MWCNTs微纳米纤维的形态、纤维直径及其变异系数均有显著影响。之后对PAN/MWCNTs微纳米纤维膜进行拉伸性能测试,分析MWCNTs质量分数对纤维膜拉伸强度和断裂伸长率的影响。并对PAN/MWCNTs微纳米纤维膜的电学性能进行测试分析。研究发现,MWCNTs在PAN溶液中的渗流阈值是25wt%。此时材料的介电常数、介电损耗和电导率出现最大值,当MWCNTs质量分数超过25wt%时,这些参数值出现衰减的现象。这一结论可为研究PAN/MWCNTs微纳米纤维膜层合板复合材料的吸波性能研究提供理论基础。最后,将玻璃纤维和环氧树脂作为透波材料,PAN/MWCNTs微纳米纤维膜作为吸波材料,利用VARTM方法将玻璃纤维、环氧树脂和PAN/MWCNTs微纳米纤维膜固化成型,并探究其吸波性能。测试结果发现:当MWCNTs质量分数低于25wt%时,PAN/MWCNTs微纳米纤维膜层合板的屏蔽效能随着MWCNTs质量分数的增加而增加;MWCNTs质量分数超过25wt%后,由于材料的极化作用减弱而导致材料对电磁波的能量衰减作用减小。随着MWCNTs质量分数的增加,每一个层合板的吸波曲线上的波峰对应的频率向低频转移。将含有多层PAN/MWCNTs微纳米纤维膜的层合板和单层层合板的屏蔽效能进行对比,结果发现:当MWCNTs质量分数为25wt%时,含有10层PAN/MWCNTs微纳米纤维膜的层合板的吸波性能有所增加。对不同块数的层合板叠加后的屏蔽效能进行测试,测试结果表明,叠加之后的屏蔽效能约等于每块层合板屏蔽效能之和;并且随着层合板块数的增加,屏蔽效能越大;吸收峰值对应的频率向高频转移。同时与一块层合板材料的屏蔽宽度相比,而随着层合板块数的增加,材料的屏蔽宽度也大大增加。
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