一種基于聚丙烯腈基雙層碳靶丸的制備方法
【專利摘要】基于乳液微封裝法聚丙烯腈基雙層碳靶丸制備技術是一種利用微流控雙T通道制備出PAN雙重乳液，旋轉蒸發固化得到PAN中空微球，經過預氧化、碳化處理，PAN分子結構由鏈狀線型結構發生氰基環化、脫氫、脫氮反應轉變為雙層石墨結構，得到聚丙烯腈基雙層碳靶丸。這種聚丙烯腈基雙層碳靶丸具有外部結構致密的皮層，內部結構疏松的芯層，為慣性約束核聚變提供了潛在的應用價值。制備方法是微流控雙T通道制備出PAN雙重乳液，旋轉蒸發固化得到PAN中空微球，超臨界干燥得到無溶劑的PAN中空微球，預氧化、碳化處理得到聚丙烯腈基雙層碳靶丸。
【專利說明】
一種基于聚丙烯腈基雙層碳靶丸的制備方法
技術領域
[0001]本發明是關于基于聚丙烯腈基雙層碳靶丸的制備技術，這種雙層碳靶丸是以具有CH等低Z元素聚丙烯腈(PAN)為靶材料，具有較高的機械強度、較低的氘氚滲透參數和耐輻照功能，屬于雙層碳靶丸制備的技術領域。
【背景技術】
[0002]慣性約束核聚變(ICF)是解決人類能源危機的根本途徑，而靶丸的成功制備是實現ICF實驗的基礎與前提。靶丸作為ICF的燃料容器，其結構決定了激光束-靶丸表面耦合以及爆聚物理的特征，是實現激光打靶的基礎。
[0003]聚合物空心微球的制備在ICF靶丸設計中占有重要地位，相比于國內制備技術最成熟的聚苯乙烯靶丸，聚丙烯腈靶丸具有更高的機械強度和更低的氘氚滲透性，可用來制備能源靶(IFE)，能源靶相比普通的高溫氣體靶丸，具有更高的燃料密度(0.253g/cm3)，降低了對高溫高密度壓縮的能量需求以及對激光器的要求，在慣性約束聚變時，中子產額相比高溫氣體靶丸有明顯提高，因此是屬于高增益靶。
[0004]基于聚丙烯腈基制備的雙層碳靶丸，是將乳液微封裝法制備的PAN空心微球進行預氧化，碳化處理得到雙層碳球。其原理是經過預氧化、碳化的處理，PAN分子結構由鏈狀線型結構發生氰基環化、脫氫、脫氮反應轉變為雙層石墨結構，微球中的非C元素(Ν、Η、0元素)逐漸被移除，最終生成含碳量較高的碳球。在預氧化過程中，微球的外表面上形成了更為致密的結構，阻礙了氧擴散到微球內部，導致了芯部結構疏松，進而生成了皮芯結構。同時，微球內部放出的熱量高于外表面放出的熱量，因此芯部由于過高的溫度導致熔融從而產生內部結構致密、外部結構疏松的皮芯結構。碳化過程可以將預氧化過程中未環化的氰基繼續發生環化反應，脫除一些非碳元素，梯形結構件發生固相交聯和縮聚反應，使PAN分子內環化或者芳香結構向二維的碳基面轉變，同時，伴隨著分子間脫水，主鏈、側鏈以及分子末端端基分解，釋放出小分子物質，如NH3、N2、CO2、H2O等，逐步形成雙層石墨結構。
[0005]在本計劃中，我們通過乳液微封裝技術和預氧化、碳化的處理，可控地制備出具有特定組成、尺寸、壁厚的聚丙烯腈雙層碳靶丸。
【發明內容】
[0006]技術問題:本發明旨在提供一種聚丙烯腈基雙層碳靶丸的制備方法，是一種利用乳液微封裝技術以制備聚丙烯腈基雙層碳靶丸方法，
[0007]技術方案:本發明的一種基于聚丙烯腈基雙層碳靶丸的制備方法，利用乳液微封裝法制備聚丙烯腈雙重乳液，經過超臨界干燥得到無溶劑的聚丙烯腈PAN微球;預氧化和碳化過程中，聚丙烯腈PAN分子結構由鏈狀線型結構發生氰基環化、脫氫、脫氮反應轉變為雙層石墨結構，從而得到外部具有結構致密的皮層，內部具有結構疏松的芯層的聚丙烯腈PAN雙層碳靶丸;其制備方法具體步驟如下:
[0008]I)以N，N-二甲基甲酰胺DMF為溶劑配制聚丙烯腈PAN溶液，聚丙烯腈PAN濃度為0.05g.mL—1至0.15g.mL—1，并加入甲基三辛基氯化銨Aliquat°336作為表面活性劑，Aliquat°336加入量為:每ImL PAN溶液加入0.06mL至0.14mL ；
[0009]2)利用T通道和導管搭建雙T通道微流控裝置，T通道和導管內徑為500μπι?1500μm，其材料應同時具有疏水性和疏油性;T通道三個接口中處于一條直線上的兩個接口稱為旁側接口，另一個接口稱為中間接口 ；將一個T通道A的一個旁側接口與另一個T通道B的中間接口用導管連接，兩個T通道的其余四個接口各連接一個導管；
[0010]3)將配制好的聚丙烯腈PAN溶液與硅油分別裝入注射器作為中間相、內相和外相，裝有中間相聚丙烯腈PAN溶液的注射器與T通道A的旁側接口導管相連;裝有內相硅油的注射器與T通道A的中間接口導管相連;裝有外相硅油的注射器與T通道B的一個旁側接口導管相連，硅油粘度為50cst?350cst;然后將三個注射器分別置于蠕動栗上；
[0011]4)通過設置蠕動栗參數的方式調節中間相、內相和外相的流速，生成內部為硅油，外層為聚丙烯腈PAN的雙重乳液，并使雙重乳液持續產生，將制得的雙重乳液收集于預裝有粘度為50cst?350cst的硅油的燒瓶中；
[0012]5)將收集有雙重乳液的燒瓶置于旋轉蒸發儀上，調節水浴溫度和轉速，減壓蒸餾除去雙重乳液中的DMF，使其固化從而制得PAN微球；
[0013]6)超臨界干燥:通過硅油-乙酸異戊酯-液態CO2的逐步置換，然后通過加壓加溫使液態二氧化碳的溫度和壓力超過其液相的臨界點；用不同粘度的娃油30cst、1cst、5cst-1(3^、0.65(3^由高到低依次浸泡固化后的聚丙烯腈?4~微球不低于至少1011，梯度置換內部的高粘度硅油;超臨界干燥儀中液態CO2中置換2h以上，溫度為37?45°C，使液態CO2進入超臨界態后緩慢放氣，保證內部壓力在7.3MPa以上，使液態CO2維持在超臨界態放氣，即得到無溶劑中空PAN微球；
[0014]7)預氧化:管式爐中控制升溫速度為2.5?3°C/min升至300°C，保持預氧化溫度2?2.5h，然后自然降溫至室溫，整個預氧化過程都是在空氣中進行，保證氧化反應可以正常進行；
[0015]8)碳化:管式爐中控制升溫速度為10?16°C/min升至800°C，保持3?5min，自然降溫至室溫，整個碳化過程是在氬氣氛圍下進行，即可得到聚丙烯腈基雙層碳靶丸。
[0016]所述的乳液微封裝法為基于微流控雙T通道制備聚丙烯腈PAN雙重乳液的方法。
[0017]所述的聚丙烯腈PAN分子結構由鏈狀線型結構發生氰基環化、脫氫、脫氮反應轉變為雙層石墨結構。
[0018]有益效果:根據本發明利用乳液微封裝法制備PAN中空微球，聚丙烯腈基雙層碳靶丸，具有以下優點:
[0019]1.制備的聚丙烯腈基雙層碳靶丸具有外部結構致密的皮層，內部結構疏松的芯層。
[0020]2.微流控雙T通道制備PAN雙重乳液的方法簡單有效，單分散性高、裝置簡單、成本低、可快速高效大批量制備。
[0021]3.利用CO2超臨界干燥得到的微球無凹陷，形狀保持較好，內部的硅油基本去除，達到了試驗要求。
[0022]4.此法能夠可控的制備出具有特定組成、尺寸、壁厚的聚丙烯腈雙層碳靶丸。
[0023]5.應用范圍廣:碳材料是目前生物相容性最好的材料之一，獲得的聚丙烯腈基雙層碳靶丸在生物醫學，慣性約束核聚變等方面具有潛在的應用價值。
【附圖說明】
[0024]圖1是聚丙烯腈基雙層碳靶丸整體電鏡圖。
[0025]圖2是聚丙烯腈基雙層碳靶丸的皮芯結構(a)和芯層結構(b)電鏡圖。
【具體實施方式】
[0026]I)以N，N-二甲基甲酰胺DMF為溶劑配制聚丙烯腈PAN溶液，PAN濃度為0.05g.mL—1至0.15g.mL—S并加入甲基三辛基氯化銨(Aliquat°336)作為表面活性劑，Aliquat°336加入量為:每ImL溶液加入0.06mL至0.14mL;
[0027]2)利用T通道和導管搭建雙T通道微流控裝置，T通道和導管內徑為500μπι?1500μm，其材料應同時具有疏水性和疏油性;T通道三個接口中處于一條直線上的兩個接口稱為旁側接口，另一個接口稱為中間接口 ；將一個T通道A的一個旁側接口與另一個T通道B的中間接口用導管連接，兩個T通道的其余四個接口各連接一個導管；
[0028]3)將配制好的PAN溶液和硅油分別裝入1ml注射器作為中間相和內外相，裝有中間相PAN溶液的注射器與T通道A的旁側接口導管相連;裝有內相硅油的注射器與T通道A的中間接口導管相連，硅油粘度為50cst?350cst;裝有外相硅油的注射器與T通道B的一個旁側接口導管相連，硅油粘度為50cst?350cst;然后將三個注射器分別置于蠕動栗上；
[0029]4)通過設置蠕動栗參數的方式調節中間相、內相和外相的流速，生成內核為硅油，外殼為PAN的雙重乳液，并使雙重乳液持續產生，將制得的雙重乳液收集于預裝有粘度為50cs?350cs的娃油的燒瓶中；
[0030]5)將收集有雙重乳液的燒瓶置于旋轉蒸發儀上，調節水浴溫度和轉速，減壓蒸餾除去雙重乳液中的DMF，使其固化從而制得PAN微球；
[0031]6)超臨界干燥:通過硅油-乙酸異戊酯-液態⑶2的逐步置換，然后通過加壓加溫使液態二氧化碳的溫度和壓力超過其液相的臨界點。用不同粘度的硅油30cst-10cst-5CSt-lCSt-0.65CSt由高到低依次浸泡固化后的PAN微球不低于至少10h，梯度置換內部的高粘度硅油;超臨界干燥儀中液態CO2中置換2h以上，溫度為37°C，使液態CO2進入超臨界態后緩慢放氣，保證內部壓力在7.3MPa以上，使液態CO2維持在超臨界態放氣，即得到無溶劑中空PAN微球；
[0032]7)預氧化:管式爐中控制升溫速度為2.5°C/min升至300°C，保持預氧化溫度2h，然后自然降溫至室溫，整個預氧化過程都是在空氣中進行，保證氧化反應可以正常進行；
[0033]8)碳化:管式爐中控制升溫速度為16°C/min升至800°C，保持3min，自然降溫至室溫，整個碳化過程是在氬氣氛圍下進行，即可得到聚丙烯腈基雙層碳靶丸(見圖1)。
【主權項】
1.一種基于聚丙烯腈基雙層碳靶丸的制備方法，其特征在于利用乳液微封裝法制備聚丙烯腈雙重乳液，經過超臨界干燥得到無溶劑的聚丙烯腈PAN微球;預氧化和碳化過程中，聚丙烯腈PAN分子結構由鏈狀線型結構發生氰基環化、脫氫、脫氮反應轉變為雙層石墨結構，從而得到外部具有結構致密的皮層，內部具有結構疏松的芯層的聚丙烯腈PAN雙層碳靶丸;其制備方法具體步驟如下: 1)以N，N-二甲基甲酰胺DMF為溶劑配制聚丙烯腈PAN溶液，聚丙烯腈PAN濃度為0.05g.mL—1至0.15g.mL—S并加入甲基三辛基氯化銨Aliquat°336作為表面活性劑，Aliquat°336加入量為:每ImL PAN溶液加入0.06mL至0.14mL; 2)利用T通道和導管搭建雙T通道微流控裝置，T通道和導管內徑為500μπι?1500μπι，其材料應同時具有疏水性和疏油性;T通道三個接口中處于一條直線上的兩個接口稱為旁側接口，另一個接口稱為中間接口 ；將一個T通道A的一個旁側接口與另一個T通道B的中間接口用導管連接，兩個T通道的其余四個接口各連接一個導管； 3)將配制好的聚丙烯腈PAN溶液與硅油分別裝入注射器作為中間相、內相和外相，裝有中間相聚丙烯腈PAN溶液的注射器與T通道A的旁側接口導管相連;裝有內相硅油的注射器與T通道A的中間接口導管相連;裝有外相硅油的注射器與T通道B的一個旁側接口導管相連，硅油粘度為50cst?350cst;然后將三個注射器分別置于蠕動栗上； 4)通過設置蠕動栗參數的方式調節中間相、內相和外相的流速，生成內部為硅油，外層為聚丙烯腈PAN的雙重乳液，并使雙重乳液持續產生，將制得的雙重乳液收集于預裝有粘度為50cst?350cst的娃油的燒瓶中； 5)將收集有雙重乳液的燒瓶置于旋轉蒸發儀上，調節水浴溫度和轉速，減壓蒸餾除去雙重乳液中的DMF，使其固化從而制得PAN微球； 6)超臨界干燥:通過硅油-乙酸異戊酯-液態CO2的逐步置換，然后通過加壓加溫使液態二氧化碳的溫度和壓力超過其液相的臨界點；用不同粘度的娃油30cst、10cst、5cst-lcst、0.65cst由高到低依次浸泡固化后的聚丙烯腈PAN微球不低于至少10h，梯度置換內部的高粘度硅油;超臨界干燥儀中液態CO2中置換2h以上，溫度為37?45°C，使液態CO2進入超臨界態后緩慢放氣，保證內部壓力在7.3MPa以上，使液態CO2維持在超臨界態放氣，即得到無溶劑中空PAN微球； 7)預氧化:管式爐中控制升溫速度為2.5?:TC/min升至300°C，保持預氧化溫度2?2.5h，然后自然降溫至室溫，整個預氧化過程都是在空氣中進行，保證氧化反應可以正常進行； 8)碳化:管式爐中控制升溫速度為10?16°C/min升至800°C，保持3?5min，自然降溫至室溫，整個碳化過程是在氬氣氛圍下進行，即可得到聚丙烯腈基雙層碳靶丸。2.根據權利要求1所述的基于聚丙烯腈基雙層碳靶丸的制備方法，其特征在于所述的乳液微封裝法為基于微流控雙T通道制備聚丙烯腈PAN雙重乳液的方法。3.根據權利要求1所述的基于聚丙烯腈基雙層碳靶丸的制備方法，其特征在于所述的聚丙烯腈PAN分子結構由鏈狀線型結構發生氰基環化、脫氫、脫氮反應轉變為雙層石墨結構。
【文檔編號】G21C13/08GK105923626SQ201610266483
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年4月26日
【發明人】葛麗芹, 董世香, 韓微
【申請人】東南大學