一種基于聚丙烯腈基低密度碳靶丸的制備方法
【專利摘要】基于聚丙烯腈基低密度碳靶丸的制備方法是一種利用懸滴法測得三嵌段共聚物F127在N，N?二甲基甲酰胺DMF中的表面張力，通過表面張力與濃度的對數作圖，在表面吸附達到飽和時，曲線出現轉折點，該點的濃度即為F127在DMF中的臨界膠束濃度。三嵌段共聚物F127為模板劑的濃度在臨界膠束濃度之上，在聚丙烯腈PAN溶液中形成膠束，經過預氧化、碳化去除F127，控制微球成孔從而降低聚丙烯腈基碳靶丸的密度。制備方法是將PAN溶液中添加F127為模板劑，乳液微封裝法制備的PAN雙重乳液，旋轉蒸發固化得PAN中空多孔微球，然后將PAN中空多孔微球超臨界干燥得到無溶劑中空微球，預氧化、碳化的方法得到聚丙烯腈基低密度碳靶丸。
【專利說明】
一種基于聚丙烯腈基低密度碳靶丸的制備方法
技術領域
[0001]本發明是基于聚丙烯腈基低密度碳靶丸制備技術，這種聚丙烯腈低密度碳靶丸以三嵌段共聚物F127為模板劑，控制微球的成孔，具有比表面積大，密度低，屬于低密度碳靶丸的技術領域。
【背景技術】
[0002]聚丙烯腈(PAN)化學物理性質穩定，具有較強的抗腐蝕性能和抗輻射性能，是一種理想的中空靶丸原材料。其內部含有的-CN結構有類似于氫鍵的結合效果，可以保證分子鏈之間的結合牢固，并且對于氫同位素的滲透率大大降低，有利于燃料的儲存和保持。此外，由于PAN的原料來源廣泛，因此被廣泛應用在工業生產和生活的各個領域，化學性質穩定，沒有PS和PVA那樣明顯缺陷，是一種理論上的優良的靶丸材料。
[0003]三嵌段共聚物F127是一種具有PEO和PPO鏈較長的大分子表面活性劑，水溶性的聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯(ΡΕ0-ΡΡ0-ΡΕ0)三嵌段共聚物，其內核疏水PPO嵌段為主成分，PEO嵌段環繞在外構成親水殼體，長嵌段的PPO疏水作用，自組裝形成形成體積較大的類膠束結構，這樣的膠束在反應過程中為反應前驅物提供了 “場所”，起到軟模板的作用，有助于形成自組裝球形膠束結構，很好地控制微球形成的形狀、大小。這種方法簡單，無需對模板去除，縮短了制備流程，減少實驗成本。
[0004]基于聚丙烯腈基低密度碳靶丸制備的原理，通過懸滴法測得F127在DMF中的臨界膠束濃度(CMC)，在PAN中添加高于CMC的Fl 27作為模板劑，在PAN溶液中形成膠束，經過預氧化、碳化去除F127，控制微球成孔從而降低聚丙烯腈基碳靶丸的密度。
【發明內容】
[0005]技術問題:本發明旨在提供一種基于聚丙烯腈基低密度碳靶丸的制備方法，將PAN溶液中添加F127為模板劑，乳液微封裝法制備的PAN雙重乳液，旋轉蒸發固化得PAN中空多孔微球，然后將PAN中空多孔微球超臨界干燥得到無溶劑中空微球，預氧化、碳化的方法得到聚丙烯腈基低密度碳靶丸。
[0006]技術方案:本發明是一種基于聚丙烯腈基低密度碳靶丸的制備方法，該制備方法通過懸滴法測得三嵌段共聚物Fl 27在N，N-二甲基甲酰胺DMF中的臨界膠束濃度CMC，在聚丙烯腈PAN中添加高于CMC的Fl 27作為模板劑，在PAN溶液中形成膠束，乳液微封裝法制備雙重乳液、固化、干燥后，預氧化、碳化去除F127，控制微球成孔從而降低聚丙烯腈基碳靶丸的密度。
[0007]所述的乳液微封裝法為基于微流控雙T通道制備PAN雙重乳液的方法。
[0008]所述的F127為控制成孔以降低微球密度的模板劑。
[0009]該制備方法具體步下:
[0010]I)利用懸滴法測得F127在N，N-二甲基甲酰胺DMF中的表面張力，通過表面張力與濃度的對數作圖，在表面吸附達到飽和時，曲線出現轉折點，該點的濃度即為F127在DMF中的 CMC;
[0011]2)以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—1，加入三嵌段共聚物Fl 27為表面活性劑，CMC為10—3g.ml—1;
[0012]3)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；
[0013]4)將配制好的PAN溶液和硅油分別裝入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；
[0014]5)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；
[0015]6)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；
[0016]7)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⑶2中置換2h以上，溫度為37?45°C，使液態⑶2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，即得到無溶劑中空多孔的PAN微球；
[0017]8)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?3h，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；
[0018]9)碳化:管式爐中控制升溫速度為10?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低密度碳靶丸。
[0019]有益效果:根據本發明利用F127作為模板劑經過乳液微封裝技術制備的中空多孔的PAN碳靶丸，具有以下優點:
[0020]1.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]2.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]3.此法可控的制備出具有特定組成、尺寸、壁厚的聚丙烯腈基低密度碳靶丸。
[0023]4.應用范圍廣:碳材料是目前生物相容性最好的材料之一，獲得的聚丙烯腈基基低密度碳靶丸在生物醫用，慣性約束核聚變等方面具有潛在的應用價值。
【具體實施方式】
[0024]本發明用做中聚丙烯腈基低密度碳靶丸的制備，由添加三嵌段共聚物F127為模板劑的PAN溶液經過乳液微封裝法制備完成。制備方法是將PAN溶液中添加F127為模板劑，乳液微封裝法制備的PAN雙重乳液，旋轉蒸發固化得PAN中空多孔微球，然后將PAN中空多孔微球超臨界干燥得到無溶劑中空微球，預氧化、碳化即得到聚丙烯腈基低密度碳靶丸。
[0025]I)利用懸滴法測得F127在N，N-二甲基甲酰胺(DMF)中的表面張力，通過表面張力與濃度的對數作圖，在表面吸附達到飽和時，曲線出現轉折點，該點的濃度即為F127在DMF中的CMC。
[0026]2)以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—1，加入三嵌段共聚物Fl 27為表面活性劑，CMC為10—3g.ml—1;
[0027]3)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]4)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]5)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]6)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]7)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⑶2維持在超臨界態放氣，即得到無溶劑中空多孔的PAN微球；
[0032]8)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]9)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，整個碳化過程是在惰性氛圍(氬氣)下進行，即可得到聚丙烯腈基低密度碳靶丸。
【主權項】
1.一種基于聚丙烯腈基低密度碳靶丸的制備方法，其特征在于該制備方法通過懸滴法測得三嵌段共聚物F127在N，N-二甲基甲酰胺DMF中的臨界膠束濃度CMC，在聚丙烯腈PAN中添加高于CMC的Fl 27作為模板劑，在PAN溶液中形成膠束，乳液微封裝法制備雙重乳液、固化、干燥后，預氧化、碳化去除F127，控制微球成孔從而降低聚丙烯腈基碳靶丸的密度。2.根據權利要求1所述的基于聚丙烯腈基低密度碳靶丸的制備方法，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低密度碳靶丸的制備方法，其特征在于所述的Fl 27為控制成孔以降低微球密度的模板劑。4.根據權利要求1所述的基于聚丙烯腈基低密度碳靶丸的制備方法，其特征在于該制備方法具體步下: 1)利用懸滴法測得F127在N，N-二甲基甲酰胺DMF中的表面張力，通過表面張力與濃度的對數作圖，在表面吸附達到飽和時，曲線出現轉折點，該點的濃度即為F127在DMF中的CMC； 2)以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—1，加入三嵌段共聚物Fl 27為表面活性劑，CMC為10—3g.ml—1; 3)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； 4)將配制好的PAN溶液和硅油分別裝入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； 5)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； 6)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； 7)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-.0.6 5c s t由高到低依次浸泡固化后的PAN微球不低于至少I Oh，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⑶2維持在超臨界態放氣，即得到無溶劑中空多孔的PAN微球； 8)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?3h，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； 9)碳化:管式爐中控制升溫速度為10?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低密度碳靶丸。
【文檔編號】C01B31/02GK105967168SQ201610327872
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年5月17日
【發明人】葛麗芹, 董世香
【申請人】東南大學