溶胶凝胶法在碳纤维表面涂覆纳米TiO2薄膜研究

 目 录

1 绪论 1
1.1 课题背景 1
1.2 碳纤维涂层改性方法 1
1.2.1 气相沉积法...............................................................................1
1.2.2 电聚合法...................................................................................2
1.2.3 溶胶凝胶法...............................................................................2
1.3 溶胶凝胶法制备薄膜 3
1.3.1 制备SiO2薄膜...........................................................................3
1.3.2 制备Al2O3薄膜.........................................................................3
1.3.3 制备TiO2薄膜...........................................................................4
1.4 制备TiO2薄膜的影响因素 4
1.5 研究目的及意义 6
2 TiO2涂层碳纤维的制备 7
2.1 实验原料和规格 7
2.2 主要仪器及型号 7
2.3 碳纤维的预处理 8
2.4 TiO2溶胶的制备 8
2.5 碳纤维表面TiO2涂层的制备 8
2.6 TiO2 涂层碳纤维的分析 9
2.6.1 XRD图分析 9
2.6.2 SEM对碳纤维表面形貌分析..................................................9
2.6.3 碳纤维的TEM分析 10
2.7 TiO2 涂层的单因素实验 11
2.7.1 水的比例的影响 11
2.7.2 乙醇的比例的影响 12
2.7.3 涂覆次数的影响 12
2.8 小结 13
3 致密化涂层的制备 14
3.1 硫酸铜为烧结助剂 14
3.1.1 碳纤维的预处理 14
3.1.2 溶胶的制备 14
3.1.3 碳纤维表面二氧化钛涂层的制备同上2.5所述 14
3.1.4 掺杂硫酸铜的碳纤维涂层分析 14
3.1.5 静态等温氧化.........................................................................16
3.1.6 小结 19
3.2 氧化硼为烧结助剂 20
3.2.1 碳纤维的预处理 20
3.2.2 溶胶的制备 20
3.2.3 碳纤维表面二氧化钛涂层的制备同上2.5所述 20
3.2.4 掺杂硼酸的碳纤维涂层分析 20
XRD分析 20
4 复合涂层的制备 23
4.1 实验原料和规格 23
主要仪器及型号 23
4.2 碳纤维的预处理 24
4.3 混合溶胶的制备 24
4.3.1 二氧化钛溶胶的配制 24
4.3.2 硅溶胶的配制 24
4.3.3 钛溶胶和硅溶胶的混合 24
4.4 碳纤维表面复合涂层的涂覆步骤同上2.5所述 24
4.5 复合涂层碳纤维的分析 25
5 总结 27
致谢 28
参考文献 29
课题背景
目前火力发电高温尾气、石油裂解气、三聚氰胺CAT回收等工艺均涉及到高温含尘气体。工业生产过程中含有固体颗粒，温度超过200℃的气体叫做含尘气体。其处理方式目前有两种，一是将高温气体降温至200℃以下，过滤除去灰尘再利用。二是直接在高温下过滤除去灰尘，这样不但可以节省降温过程中损失的大量能量，还可以回收重复利用物质，保护环境。目前，常见的除尘方式有湿法除尘、高温旋风除尘、静电除尘、布袋除尘等。其中，布袋除尘结构简单，投资少，便于直接回收干料，适应性强，效率最高，应用最为广泛。而布袋除尘的核心是高温滤材，像芳纶、玻璃纤维、聚苯硫醚、聚酰亚胺、聚四氟乙烯等一般滤材均不能在260℃以上使用。经查阅大量文献，我们发现碳纤维的耐高温特性很好，可以作为布袋除尘的一种高温滤材使用。
碳纤维是在惰性气体下由有机母体纤维1000～3000 ℃高温时分解制得的一种无机材料，并在无氧高温处理过程中除去碳以外的元素，故最终含碳量在90 %以上。碳纤维外观为黑色，质地坚硬，是一种常用的复合材料增强纤维。它具有低密度、高强度、高模量、低热膨胀、耐辐射、易编制加工以及较好的热、电性能等优良特性，在金属基、聚合物基复合材料中获得广泛的应用[1-4]。同时碳纤维在航空航天、汽车、消费娱乐、体育用品等领域中有着广阔的应用前景。但碳纤维抗氧化性能较差，在400℃以上的空气中即出现明显的失重和强度降低[5]，且碳纤维与某些基体得浸润性不好，难以形成致密、性能优良的复合材料。因此阻碍了碳纤维在航空航天等需要轻质、高强、高模材料领域的应用。研究表明在碳纤维表面形成致密的保护性涂层可有效地解决上述问题[6]。现有技术中涂层改性方法有气相沉积法、电聚合法和溶胶-凝胶浸渗烧结法。其中溶胶-凝胶浸渗烧结法制备涂层简单易行，所制备涂层化学纯度高，可应用于大规模生产，有着独特的优越性。
1.2 碳纤维涂层改性方法
1.2.1 气相沉积法
气相沉积技术分为物理气相沉积（PVD）和化学气相沉积（CVD）,包括真空蒸发镀膜、溅射镀膜、离子镀膜、等离子体增强化学气相沉积等多种方法。可以获得厚度小、分布均匀的金属、合金、陶瓷等多种材料的薄膜层。由气相沉积技术制备的膜层均匀、结合强度高、性能优良，但其较大的设备投资和对工件大小的局限性，也在一定程度上限制了它的应用[7]。
气相沉积处理法是在碳纤维和树脂的界面引入活性炭的塑性界面区来松弛应力，从而提高了复合材料的界面性能。近年来，用气相沉积技术对碳纤维进行涂覆处理是碳纤维改性的一个重要方面，在高模量结晶型碳纤维表面沉积一层无定性碳来提高其界面黏接性能，增加复合材料的层间剪切强度[8]。李石保[9]等用自己合成的裂解能得到B4C的聚碳硼烷(PCB),配制成甲苯溶液,浸渍碳纤维,把CF高温裂解,能得到致密的,较原碳纤维抗氧化性能明显提高的涂层碳纤维。欧阳海波等[10]采用化学气相沉积法在碳纤维表面制备了PyC涂层，利用SiO2与PyC涂层的反应形成SiC涂层，最终制备了SiC/PyC复合涂层。研究表明SiC/PyC复合涂层能够有效的改善碳纤维的抗氧化性能，较无涂层碳纤维起始氧化温度提高了近250℃。但是气相沉积处理法所需温度较高，有一定危险性，且工艺条件苛刻，设备昂贵，未能实现广泛的工业化应用。