碳化硅納米纖維復合材料的制備及性能測試

　　作者：李福（畢業于天津工業大學非織造材料與工程專業，現任河北杰豪集團公司銷售助理）

　　指導老師：莊旭品（天津工業大學紡織學部教授）

　　碳化硅結構型吸波材料是在先進復合材料基礎上發展起來的雙功能復合材料，它既能吸波又能承載，可成型各種形狀復雜的部件，如機翼、尾翼、進氣道等，具有涂覆材料無可比擬的優點，是當代吸波材料主要發展方向。用溶液噴射紡絲法制備碳化硅納米復合纖維是一項新的紡絲技術，適合大多數的紡絲溶液采用該方法制備超細纖維，應用較為廣泛。

　　實驗操作得出關鍵數據

　　與靜電紡技術相比，溶液噴射紡絲有一個較大的優點，就是紡絲速度快，可以在較短的時間獲得較多的微納米纖維，使得大規模產業化成為一種可能。本文通過溶液噴射紡絲技術研究了使用PLA作紡絲助劑制備碳化硅納米纖維的工藝，為碳化硅納米纖維的制備提供了新途徑。

　　原料與設備

　　本測試所用原料

　　本測試所用實驗儀器：蠕動泵（BT03-GT-8），生產廠家為天津協達；多翼低噪聲離心式通風機（DDT9-56-12NO2.5）生產廠家為上海洲洲機電有限公司；集熱式恒溫加熱磁力攪拌器（DW-2）生產廠家為鞏義市英峪高科儀器廠；電熱鼓風恒溫干燥箱（DHG-9030A），生產廠家為鞏義市予華儀器有限公司；差式掃描熱量儀（DSC7），生產廠家為美國PERKINELMER公司；X射線衍射儀（XRD），生產廠家為德國BRUKER公司；傅立葉變換紅外光譜儀TENSOR37，生產廠家為德國BRUKER公司。

　　不同溶劑紡絲液的制備

　　本實驗將聚碳硅烷（PCS）作為原料，使用聚乳酸（PLA）作為紡絲助劑，為選擇合適的溶劑，通過對比各溶劑對PCS的溶解能力以及各自的熔點和毒性，根據紡絲條件綜合選擇四氫呋喃（THF）和1,4-二氧六環混合作為本課題的溶劑。

　　取7只125ml磨口玻璃瓶，2只量筒，轉子若干，洗凈烘干；計算并稱量配制5%質量分數PLA和PCS的質量；按照不同比例量取溶劑，分別倒入玻璃瓶，將PLA倒入玻璃瓶，放入轉子，將玻璃瓶密封并固定于水浴攪拌加熱鍋中，設定溫度50℃并攪拌；待PLA全部溶解，再將PCS加入玻璃瓶中，待PCS全部溶解，即得到不同溶劑配比的紡絲液。

　　不同粘度紡絲液的制備及粘度的測定

　　取7只125ml磨口玻璃瓶，2只量筒，轉子若干，洗凈烘干；計算并稱量配制PLA質量分數為2%、3%、4%、5%、7%、9%、11%，PCS質量分數為5%的紡絲液所需PLA和PCS的質量；量取13.3ml1,4-二氧六環和6.7mlTHF分別加入到7只磨口玻璃瓶中，加入PLA，放入轉子，將玻璃瓶密封并固定于水浴攪拌加熱鍋中，設定溫度50℃并攪拌；待PLA全部溶解，再將PCS加入玻璃瓶中，待PCS全部溶解，即得到不同粘度的紡絲液。

　　使用旋轉式粘度計測定不同PLA含量紡絲液的粘度。分別將各紡絲液倒入外筒里同軸地安裝內筒,其間充滿了粘性流體,同步電機以穩定的速度旋轉,接連刻度圓盤,再通過游絲和轉軸帶動內筒旋轉,內筒即受到基于流體的粘性力。

　　數據分析確定最佳工藝

　　溶劑的揮發性對紡絲狀態有很大影響，使用四氫呋喃和1,4-二氧六環作為溶劑時，隨著1，4-二氧六環量的增加，紡絲液的可紡性提高，但1,4-二氧六環揮發性不如THF，從而得到纖維形態規整度降低，同時由于四氫呋喃對PCS的溶解性比1，4-二氧六環好，當1，4-二氧六環含量增加時，紡絲液變得渾濁。綜合分析，控制四氫呋喃和1.4-二氧六環體積比為1∶2時，紡絲效果最好，纖維直徑細且分布均勻。

　　通過改變紡絲液中PLA的含量，得到不同粘度的紡絲液，隨著PLA含量的提高，紡絲液粘度增加，綜合分析，適合紡絲的紡絲液粘度在10mPa.s~150mPa.s，選擇PLA質量分數為3%；由于PCS/PLA纖維中PCS含量對最終纖維性能有很大影響，為得到性能良好的SiC纖維，需要使紡絲液中PCS含量盡量提高，本實驗選擇PCS質量分數為7%。

　　煅燒后為確定所得纖維是SiC纖維，分別對PCS/PLA原纖、預氧化后的纖維和煅燒后的纖維進行了X射線衍射分析，測試條件是2θ從10°到80°，數據如圖。

　　根據XRD圖分析，其中曲線a是PCS原纖的X射線衍射曲線，曲線b是預氧化后纖維的X射線衍射曲線，曲線c是煅燒后纖維的X射線衍射曲線，曲線a和b中未出現SiC的特征峰，曲線c中分別在2θ=35、60和70附近出現了β-SiC碳化硅的特征峰，由此可知，在實驗煅燒后成功得到了SiC納米纖維，且SiC的晶型是β型。

　　從純PCS的FT-IR譜圖可以看出，在2900cm-1~2850cm-1左右的范圍內出現了兩個明顯的特征吸收峰，它們對應著PCS飽和烴C-H的伸縮振動，這是由ν和δ鍵共振引起的。在2100cm-1左右出現了較強的吸收峰，其對應著Si-H的伸縮振動；1250cm-1處出現的尖銳的吸收峰，則是-CH3的彎曲振動引起的。PCS中的Si-CH2-Si骨架結構則可以通過1040cm-1~1020cm-1區域中的CH2的變形振動得以證明。PCS/PLA復合纖維的FT-IR譜圖（圖1a）相較于純PCS的FTIR譜圖而言，只在1750cm-1左右的位置多出了一個吸收峰，對應PLA中C=O的特征吸收峰；其他吸收峰的頻率位置沒有發生改變，只是強度減弱，這是由于PLA的加入，PCS的含量相對減少，對應頻率的透射光強減弱。從經過高溫煅燒后的FTIR譜圖（圖1c）可以看出，經過高溫煅燒后，在特征峰區域內沒有明顯的特征峰，曲線只在1100cm-1和828cm-1的位置出現了分布較寬，強度較低的吸收峰，分別對應C-Si骨架振動和Si-O-Si伸縮振動，這也表明纖維已經由有機物轉變為無機陶瓷纖維復合材料了。