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大学生创新活动计划项目
申请书
项目名称:基于电喷复合聚丙烯腈膜为模板制备
碳泡沫研究
申请者:张璐璐杜鹏张晓康
所在学院:材料科学与工程
联系:021-55274069(15800963687)
上海理工大学教务处
2016年10月11日
一、项目背景
碳泡沫(Carbonfoam)是一种以碳原子为骨架,碳原子之间相互连接形成多孔网络结构的轻质固体材料.依据前驱体和制备工艺的不同,这种新型的多孔功能材料既能制成低热导率(0.3W/mK)的热绝缘材料,也能制成高热导率(150W/m·K)的导热材料.此外,它还具有孔隙率高,比表面积大,密度小,热膨胀系数低以及耐高温,耐腐蚀等优良性质,因此,碳泡沫在热控材料,电极材料,催化,环保等领域中均有着十分广阔的应用前景[1].
目前文献对碳泡沫的制备研究主要集中两个方面:(1)选用不同的前驱体如煤,酚醛树脂,木质素,聚酰亚胺和各种沥青等来制备碳泡沫,(2)采用不同的发泡方法,通常分为高压发泡法和常压发泡法.高压发泡法是对粘流态时的前驱体施加一定压力,然后在其固化过程中缓慢卸压,制备出泡沫体.常压发泡法则是在前驱体里通过添加发泡剂的方式进行发泡.然而,采用目前单一的高压发泡或者常压发泡法制备出的碳泡沫往往会导致其接点和韧带产生较多的微裂痕,或孔壁上产生小孔而导致孔洞结构较差.这些缺陷往往会降低碳泡沫的机械强度以及物理性能,从而制约了它的进一步应用[2,3].
聚丙烯腈Polyacrylonitrile,PAN)具有非常优良的耐光性,耐气侯性耐霉菌性,较好的耐溶剂性热稳定性,是理想的膜材料之一.由于低廉和机械强度良好,孔隙率高所以被广泛应用于食品,医药,化学化工及水处理工业发展前景十分广阔以聚丙烯腈GooginJ,NapierJ,ScrivnerM.Methodformanufacturingfoamcarbonproducts.USPat,3345440.1967.
ChenC,KennelEB,StillerAH,eta1.Carbonfoamderivedfromvariousprecursors.Carbon,2006,44,1535-43.
王新营.高性能碳泡沫的制备与研究[D],博士论文,2007,东华大学,上海.
YuDG,LuP,Branford-WhiteC,etal.PolyacrylonitrilenanofiberspreparedusingcoaxialelectrospinningwithLiClsolutionassheathfluid.Nanotechnology2016,22,435301(7pp)
NiuH,ZhangJ,XieZ,etal.Preparation,structureandsupercapacitanceofbondedcarbonnanofiberelectrodematerials.Carbon2016,49,2380–8.
YuDG,WilliamsGR,YangJH,etal.Solidlipidnanoparticlesself-assembledfromelectrosprayedpolymer-basedmicoparticles.JMaterChem,2016,DOI:10.1039/c1jm12720a.
LoscertalesIG,BarreroA,GuerreroI,etal.Micro/nanoencapsulationviaelectrifiedcoaxialliquidjets.Science2002,295,1695-1698.
二、项目内容
项目目标
本项目完成后,拟实现如下两个目标:
(1)建立一种新型制备碳泡沫的方法.
(2)以聚丙烯腈(PAN)为基材,结合聚乙烯吡咯烷酮(PVP)和冰片的使用,应用同轴电喷工艺制备复合电喷膜,对该膜进行选择性溶解或预热升华,制备结构型PAN膜,对PAN膜进行碳化制备出多孔结构型PAN模板,进一步石墨化制备出高性能碳泡沫.
项目内容
本项目主要包括如下几个主要研究内容:
电喷液的调配:应用PAN为基材,PVP(或冰片)为填充物,以N,N-二乙酰胺为溶剂调配不同电喷鞘液,配制PVP(或冰片)的乙醇溶液为芯液.
同轴电喷制备复合膜:调节电压,电喷膜接受距离,芯液/鞘液流量等参数,优化复合膜的制备工艺条件.
制备孔洞结构的PAN膜:对复合膜进行预处理(PVP通过水或乙醇溶剂剔除,冰片通过预加热升华剔除),制备孔洞结构的PAN膜.
碳泡沫制备:在氩气保护下,在900oC以下进行碳化制备多孔PAN模板,在2400oC以上石墨化制备碳泡沫
碳泡沫表征:对碳泡沫的形态结构和热学性能进行表征分析.
项目技术路线
本项目按如下技术路线实施:
图2应用同轴高压静电喷雾工艺制备碳泡沫技术路线
项目技术关键点在于同轴电喷的实施中,如何(1)优化工艺条件以及如何(2)通过工艺条件的变换调控PAN复合膜中被剔除成分的含量,以达到对碳泡沫性能的调整.
三、项目组成员信息
姓名所在学院学号联系E-mail地址签字张璐璐材料科学与工程102601030818801733220727610466@.杜鹏材料科学与工程102601013018801731922237279871@.张晓康材料科学与工程091502016515216768044443923308@.
四、项目指导教师信息
姓名所在学院职称联系E-mail地址签字余灯广材料科学与工程副研究员55274069Ydg017@usst.edu.
五、项目组成员分工信息
姓名所学专业主要分工负责工作备注张璐璐材料成型与控制试验准备,纺丝液调配和性能测试杜鹏材料成型与控制同轴电喷工艺的应用张晓康材料科学碳泡沫的性能表征分析
六、计划进度
2016.11～2016.012016.03～2016.062016.07～201.10试验数据处理,内容整理,归纳演绎并撰写科研论文七,经费及使用预算
1.申请经费总额:10,000元(金额大写:人民币壹万圆整)
经费使用预算:
支出科目所需费用概算(元)计算根据及理由材料购写3000购写聚丙烯腈,填充材料和各种溶剂等样品测试4500进行扫描电镜,晶体衍射等系列测试论文与专利2000论文发表版面费资料打印500购写相关资料合计
1.提交文字及纸质材料包括:
发表研究论文2篇(包括1篇2区的SCI研究论文,1篇中文核心),申请中国专利2份.
2.提供实物,软件或其他介质包括:
提供碳泡沫若干.
八,项目完成形式 九,指导教师意见
指导教师(签章)
年月日
十,申请者所在学院意见
学院负责人(签章)年月日
十一,大学生创新工作指导委员会意见
负责人(签章)年月日