『文献』改性碳纳米管增强木质素基碳纤维_断裂_复合材料_化学_汽车

『文献』改性碳纳米管增强木质素基碳纤维

摘要

该研究通过接枝改性碳纳米管，将木质素分子枝连到碳纳米管表面，合成了木质素枝连碳纳米管（CNTs-gL），并应用于增强木质素基碳纤维的力学性能。实验结果显示，CNTs-gL的加入显著改善了木质素的熔融纺丝性能，并提高了碳纤维的拉伸强度。然而，随着CNTs-gL含量的进一步增加，碳纤维的拉伸强度出现下降，这可能是由于功能化CNT中化学键的断裂产生的空隙所致。该研究不仅为木质素基碳纤维的改性提供了一种新方法，也为其在汽车等领域的广泛应用提供了可能性。

正文

改性碳纳米管增强木质素基碳纤维

文章题目：Reinforcement oflignin-based carbon fibers with functionalized carbon nanotubes

文章来源：Composites Scienceand Technology 128 (2016) 116-122

研究团队：东华大学材料与科学工程学院化纤及高分子材料改性国家重点实验室Shichao Wang等人

研究简介

该团队为了提高木质素基碳纤维的力学性能，将木质素分子枝连到碳纳米管表面，合成了木质素枝连碳纳米管（CNTs-gL），以改善碳纳米管与木质素链之间的界面粘附性。CNTs-gL的加入改善了木质素的熔融纺丝性能，获得连续缠绕的木质素/ CNTs-gL熔纺纤维及其碳化纤维。CNTs-gL和木质素相之间的相互作用改善了木质素的热稳定性，但使木质素基碳纤维的石墨结构紊乱。当掺入0.5％的CNTs-gL时，定向CNTs-gL将木质素基碳纤维的拉伸强度从171.2MPa提高到289.3MPa。然而，由于功能化CNT中的化学键的断裂而产生的空隙，因此获得的碳纤维的拉伸强度随着CNTs-gL含量的进一步增加而降低。

主要研究内容

在所有含碳材料中，碳纤维由于具有很高的拉伸强度和拉伸模量备受关注。目前，碳纤维主要通过溶液纺丝法从石油基（丙烯腈）（PAN）高分子原料中获得，由于高成本和环境问题限制了其在众多领域的进一步应用，特别是在汽车行业。

与PAN基碳纤维相比，由熔融纺丝制备的木质素基碳纤维在生产成本和环境问题上显示出无与伦比的优势。但是，熔体可纺性差，机械性能差，阻碍了木质素基碳纤维的发展和应用。为了解决上述缺陷，改善木质素的熔融体的可纺性，很多工作集中在改性前驱体上，改进木质素可纺性的常规方法是化学改性，包括乙酰化，酯化，醚化和接枝聚合。尽管可熔性能有一定程度的提高，但可纺性还远远不能令人满意。而且改性成本较高，不适合大规模生产碳纤维，同时，在碳化过程中，纤维在聚合物裂解下产生空隙，导致碳纤维的机械性能差。为了改善界面粘附性，通过接枝改性CNT，这是一种简单而有效的方法，在CNT和基质之间形成连续的界面。

该团队通过将木质素枝连到CNT表面（缩写为CNTs-gL）改善可纺性，通过熔融纺丝制备连续缠绕的木质素/ CNTs-gL纤维。通过对碳纤维增强木质素基碳纤维制备工艺的研究，探讨了碳纳米管-木质素与木质素的相互作用，形貌及力学性能，结果表明，强烈的相互作用提高了木质素/碳纳米管-gL复合材料的热稳定性，但是扰乱了木质素基碳纤维的石墨结构。CNTs-gL的加入改善了木质素的熔融纺丝性能，获得了连续缠绕的木质素/ CNTs- gL纤维。

CNTs，CNTs-gL和木质素的FTIR光谱（a）和局部放大光谱（b）

木质素/ CNTs-gL基碳纤维的XRD图谱和拉曼光谱

连续缠绕的木质素/ CNTs-gL纤维及其碳化纤维。木质素/ CNTs-gL纤维缠绕在圆柱体上（a）; 木质素/ CNTs-gL基碳纤维的表面形态（b）和横截面形态（c）

来源：碳纤维生产技术