□ 作者：李福（畢業(yè)于天津工業(yè)大學(xué)非織造材料與工程專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)任河北杰豪集團(tuán)公司銷(xiāo)售助理）

指導(dǎo)老師：莊旭品（天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)部教授）

碳化硅結(jié)構(gòu)型吸波材料是在先進(jìn)復(fù)合材料基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的雙功能復(fù)合材料，它既能吸波又能承載，可成型各種形狀復(fù)雜的部件，如機(jī)翼、尾翼、進(jìn)氣道等，具有涂覆材料無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)代吸波材料主要發(fā)展方向。用溶液噴射紡絲法制備碳化硅納米復(fù)合纖維是一項(xiàng)新的紡絲技術(shù)，適合大多數(shù)的紡絲溶液采用該方法制備超細(xì)纖維，應(yīng)用較為廣泛。

　　實(shí)驗(yàn)操作得出關(guān)鍵數(shù)據(jù)

與靜電紡技術(shù)相比，溶液噴射紡絲有一個(gè)較大的優(yōu)點(diǎn)，就是紡絲速度快，可以在較短的時(shí)間獲得較多的微納米纖維，使得大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化成為一種可能。本文通過(guò)溶液噴射紡絲技術(shù)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(shè)備

　　本測(cè)試所用原料

本測(cè)試所用實(shí)驗(yàn)儀器：蠕動(dòng)泵（BT03-GT-8），生產(chǎn)廠(chǎng)家為天津協(xié)達(dá)；多翼低噪聲離心式通風(fēng)機(jī)（DDT9-56-12NO2.5）生產(chǎn)廠(chǎng)家為上海洲洲機(jī)電有限公司；集熱式恒溫加熱磁力攪拌器（DW-2）生產(chǎn)廠(chǎng)家為鞏義市英峪高科儀器廠(chǎng)；電熱鼓風(fēng)恒溫干燥箱（DHG-9030A），生產(chǎn)廠(chǎng)家為鞏義市予華儀器有限公司；差式掃描熱量?jī)x（DSC7），生產(chǎn)廠(chǎng)家為美國(guó)PERKIN ELMER公司；X射線(xiàn)衍射儀（XRD），生產(chǎn)廠(chǎng)家為德國(guó)BRUKER公司；傅立葉變換紅外光譜儀        TENSOR37        ，生產(chǎn)廠(chǎng)家為德國(guó)BRUKER公司。

　　不同溶劑紡絲液的制備

本實(shí)驗(yàn)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(guò)對(duì)比各溶劑對(duì)PCS的溶解能力以及各自的熔點(diǎn)和毒性，根據(jù)紡絲條件綜合選擇四氫呋喃（THF）和1,4-二氧六環(huán)混合作為本課題的溶劑。

取7只125ml磨口玻璃瓶，2只量筒，轉(zhuǎn)子若干，洗凈烘干；計(jì)算并稱(chēng)量配制5%質(zhì)量分?jǐn)?shù)PLA和PCS的質(zhì)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(zhuǎn)子，將玻璃瓶密封并固定于水浴攪拌加熱鍋中，設(shè)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(cè)定

取7只125ml磨口玻璃瓶，2只量筒，轉(zhuǎn)子若干，洗凈烘干；計(jì)算并稱(chēng)量配制PLA質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%、3%、4%、5%、7%、9%、11%，PCS質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的紡絲液所需PLA和PCS的質(zhì)量；量取13.3ml 1,4-二氧六環(huán)和6.7ml THF分別加入到7只磨口玻璃瓶中，加入PLA，放入轉(zhuǎn)子，將玻璃瓶密封并固定于水浴攪拌加熱鍋中，設(shè)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(zhuǎn)式粘度計(jì)測(cè)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(nèi)筒,其間充滿(mǎn)了粘性流體,同步電機(jī)以穩(wěn)定的速度旋轉(zhuǎn),接連刻度圓盤(pán),再通過(guò)游絲和轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)內(nèi)筒旋轉(zhuǎn), 內(nèi)筒即受到基于流體的粘性力。

數(shù)據(jù)分析確定最佳工藝

溶劑的揮發(fā)性對(duì)紡絲狀態(tài)有很大影響，使用四氫呋喃和1,4-二氧六環(huán)作為溶劑時(shí)，隨著1，4-二氧六環(huán)量的增加，紡絲液的可紡性提高，但1,4-二氧六環(huán)揮發(fā)性不如THF，從而得到纖維形態(tài)規(guī)整度降低，同時(shí)由于四氫呋喃對(duì)PCS的溶解性比1，4-二氧六環(huán)好，當(dāng)1，4-二氧六環(huán)含量增加時(shí)，紡絲液變得渾濁。綜合分析，控制四氫呋喃和1.4-二氧六環(huán)體積比為1∶2時(shí)，紡絲效果最好，纖維直徑細(xì)且分布均勻。

通過(guò)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(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%；由于PCS/PLA纖維中PCS含量對(duì)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(shí)驗(yàn)選擇PCS質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%。

煅燒后為確定所得纖維是SiC纖維，分別對(duì)PCS/PLA原纖、預(yù)氧化后的纖維和煅燒后的纖維進(jìn)行了X射線(xiàn)衍射分析，測(cè)試條件是2θ從10°到80°，數(shù)據(jù)如圖。

根據(jù)XRD圖分析，其中曲線(xiàn)a是PCS原纖的X射線(xiàn)衍射曲線(xiàn)，曲線(xiàn)b是預(yù)氧化后纖維的X射線(xiàn)衍射曲線(xiàn)，曲線(xiàn)c是煅燒后纖維的X射線(xiàn)衍射曲線(xiàn)，曲線(xiàn)a和b中未出現(xiàn)SiC的特征峰，曲線(xiàn)c中分別在2θ=35、60和70附近出現(xiàn)了β-SiC碳化硅的特征峰，由此可知，在實(shí)驗(yàn)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(nèi)出現(xiàn)了兩個(gè)明顯的特征吸收峰，它們對(duì)應(yīng)著PCS飽和烴C-H的伸縮振動(dòng)，這是由ν和δ鍵共振引起的。在2100cm-1左右出現(xiàn)了較強(qiáng)的吸收峰，其對(duì)應(yīng)著Si-H的伸縮振動(dòng)；1250cm-1處出現(xiàn)的尖銳的吸收峰，則是-CH3的彎曲振動(dòng)引起的。PCS中的Si-CH2-Si骨架結(jié)構(gòu)則可以通過(guò)1040cm-1~1020cm-1區(qū)域中的CH2的變形振動(dòng)得以證明。PCS/PLA復(fù)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(gè)吸收峰，對(duì)應(yīng)PLA中C=O的特征吸收峰；其他吸收峰的頻率位置沒(méi)有發(fā)生改變，只是強(qiáng)度減弱，這是由于PLA的加入，PCS的含量相對(duì)減少，對(duì)應(yīng)頻率的透射光強(qiáng)減弱。從經(jīng)過(guò)高溫煅燒后的FTIR譜圖（圖1c）可以看出，經(jīng)過(guò)高溫煅燒后，在特征峰區(qū)域內(nèi)沒(méi)有明顯的特征峰，曲線(xiàn)只在1100cm-1和828cm-1的位置出現(xiàn)了分布較寬，強(qiáng)度較低的吸收峰，分別對(duì)應(yīng)C-Si骨架振動(dòng)和Si-O-Si伸縮振動(dòng)，這也表明纖維已經(jīng)由有機(jī)物轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)機(jī)陶瓷纖維復(fù)合材料了。