CN105923626A - 一种基于聚丙烯腈基双层碳靶丸的制备方法 - Google Patents

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Abstract

基于乳液微封装法聚丙烯腈基双层碳靶丸制备技术是一种利用微流控双T通道制备出PAN双重乳液，旋转蒸发固化得到PAN中空微球，经过预氧化、碳化处理，PAN分子结构由链状线型结构发生氰基环化、脱氢、脱氮反应转变为双层石墨结构，得到聚丙烯腈基双层碳靶丸。这种聚丙烯腈基双层碳靶丸具有外部结构致密的皮层，内部结构疏松的芯层，为惯性约束核聚变提供了潜在的应用价值。制备方法是微流控双T通道制备出PAN双重乳液，旋转蒸发固化得到PAN中空微球，超临界干燥得到无溶剂的PAN中空微球，预氧化、碳化处理得到聚丙烯腈基双层碳靶丸。

Description

一种基于聚丙烯腈基双层碳靶丸的制备方法
技术领域
本发明是关于基于聚丙烯腈基双层碳靶丸的制备技术，这种双层碳靶丸是以具有CH等低Z元素聚丙烯腈(PAN)为靶材料，具有较高的机械强度、较低的氘氚渗透参数和耐辐照功能，属于双层碳靶丸制备的技术领域。
背景技术
惯性约束核聚变(ICF)是解决人类能源危机的根本途径，而靶丸的成功制备是实现ICF实验的基础与前提。靶丸作为ICF的燃料容器，其结构决定了激光束-靶丸表面耦合以及爆聚物理的特征，是实现激光打靶的基础。
聚合物空心微球的制备在ICF靶丸设计中占有重要地位，相比于国内制备技术最成熟的聚苯乙烯靶丸，聚丙烯腈靶丸具有更高的机械强度和更低的氘氚渗透性，可用来制备能源靶(IFE)，能源靶相比普通的高温气体靶丸，具有更高的燃料密度(0.253g/cm3)，降低了对高温高密度压缩的能量需求以及对激光器的要求，在惯性约束聚变时，中子产额相比高温气体靶丸有明显提高，因此是属于高增益靶。
基于聚丙烯腈基制备的双层碳靶丸，是将乳液微封装法制备的PAN空心微球进行预氧化，碳化处理得到双层碳球。其原理是经过预氧化、碳化的处理，PAN分子结构由链状线型结构发生氰基环化、脱氢、脱氮反应转变为双层石墨结构,微球中的非C元素(N、H、O元素)逐渐被移除，最终生成含碳量较高的碳球。在预氧化过程中，微球的外表面上形成了更为致密的结构，阻碍了氧扩散到微球内部，导致了芯部结构疏松，进而生成了皮芯结构。同时，微球内部放出的热量高于外表面放出的热量，因此芯部由于过高的温度导致熔融从而产生内部结构致密、外部结构疏松的皮芯结构。碳化过程可以将预氧化过程中未环化的氰基继续发生环化反应，脱除一些非碳元素，梯形结构件发生固相交联和缩聚反应，使 PAN分子内环化或者芳香结构向二维的碳基面转变，同时，伴随着分子间脱水，主链、侧链以及分子末端端基分解，释放出小分子物质，如NH3、N2、CO2、H2O等，逐步形成双层石墨结构。
在本计划中，我们通过乳液微封装技术和预氧化、碳化的处理，可控地制备出具有特定组成、尺寸、壁厚的聚丙烯腈双层碳靶丸。
发明内容
技术问题：本发明旨在提供一种聚丙烯腈基双层碳靶丸的制备方法，是一种利用乳液微封装技术以制备聚丙烯腈基双层碳靶丸方法，
技术方案：本发明的一种基于聚丙烯腈基双层碳靶丸的制备方法，利用乳液微封装法制备聚丙烯腈双重乳液，经过超临界干燥得到无溶剂的聚丙烯腈PAN微球；预氧化和碳化过程中，聚丙烯腈PAN分子结构由链状线型结构发生氰基环化、脱氢、脱氮反应转变为双层石墨结构，从而得到外部具有结构致密的皮层，内部具有结构疏松的芯层的聚丙烯腈PAN双层碳靶丸；其制备方法具体步骤如下：
1)以N,N-二甲基甲酰胺DMF为溶剂配制聚丙烯腈PAN溶液，聚丙烯腈PAN浓度为0.05g·mL-1至0.15g·mL-1，并加入甲基三辛基氯化铵Aliquato336作为表面活性剂，Aliquato336加入量为：每1mL PAN溶液加入0.06mL至0.14mL；
2)利用T通道和导管搭建双T通道微流控装置，T通道和导管内径为500μm～1500μm，其材料应同时具有疏水性和疏油性；T通道三个接口中处于一条直线上的两个接口称为旁侧接口，另一个接口称为中间接口；将一个T通道A的一个旁侧接口与另一个T通道B的中间接口用导管连接，两个T通道的其余四个接口各连接一个导管；
3)将配制好的聚丙烯腈PAN溶液与硅油分别装入注射器作为中间相、内相和外相，装有中间相聚丙烯腈PAN溶液的注射器与T通道A的旁侧接口导管相连；装有内相硅油的注射器与T通道A的中间接口导管相连；装有外相硅油的注射器与T通道B的一个旁侧接口导管相连，硅油粘度为50cst～350cst；然后将三个注射器分别置于蠕动泵上；
4)通过设置蠕动泵参数的方式调节中间相、内相和外相的流速，生成内部 为硅油，外层为聚丙烯腈PAN的双重乳液，并使双重乳液持续产生，将制得的双重乳液收集于预装有粘度为50cst～350cst的硅油的烧瓶中；
5)将收集有双重乳液的烧瓶置于旋转蒸发仪上，调节水浴温度和转速，减压蒸馏除去双重乳液中的DMF，使其固化从而制得PAN微球；
6)超临界干燥：通过硅油-乙酸异戊酯-液态CO2的逐步置换，然后通过加压加温使液态二氧化碳的温度和压力超过其液相的临界点；用不同粘度的硅油30cst、10cst、5cst-1cst、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，梯度置换内部的高粘度硅油；超临界干燥仪中液态CO2中置换2h以上，温度为37～45℃，使液态CO2进入超临界态后缓慢放气，保证内部压力在7.3MPa以上，使液态CO2维持在超临界态放气，即得到无溶剂中空PAN微球；
7)预氧化：管式炉中控制升温速度为2.5～3℃/min升至300℃，保持预氧化温度2～2.5h，然后自然降温至室温，整个预氧化过程都是在空气中进行，保证氧化反应可以正常进行；
8)碳化：管式炉中控制升温速度为10～16℃/min升至800℃，保持3～5min，自然降温至室温，整个碳化过程是在氩气氛围下进行，即可得到聚丙烯腈基双层碳靶丸。
所述的乳液微封装法为基于微流控双T通道制备聚丙烯腈PAN双重乳液的方法。
所述的聚丙烯腈PAN分子结构由链状线型结构发生氰基环化、脱氢、脱氮反应转变为双层石墨结构。
有益效果：根据本发明利用乳液微封装法制备PAN中空微球，聚丙烯腈基双层碳靶丸,具有以下优点：
1.制备的聚丙烯腈基双层碳靶丸具有外部结构致密的皮层，内部结构疏松的芯层。
2.微流控双T通道制备PAN双重乳液的方法简单有效，单分散性高、装置简单、成本低、可快速高效大批量制备。
3.利用CO2超临界干燥得到的微球无凹陷，形状保持较好，内部的硅油基本去除，达到了试验要求。
4.此法能够可控的制备出具有特定组成、尺寸、壁厚的聚丙烯腈双层碳靶丸。
5.应用范围广:碳材料是目前生物相容性最好的材料之一，获得的聚丙烯腈基双层碳靶丸在生物医学，惯性约束核聚变等方面具有潜在的应用价值。
附图说明
图1是聚丙烯腈基双层碳靶丸整体电镜图。
图2是聚丙烯腈基双层碳靶丸的皮芯结构(a)和芯层结构(b)电镜图。
具体实施方式
1)以N,N-二甲基甲酰胺DMF为溶剂配制聚丙烯腈PAN溶液，PAN浓度为0.05g·mL-1至0.15g·mL-1，并加入甲基三辛基氯化铵(Aliquato336)作为表面活性剂，Aliquato336加入量为：每1mL溶液加入0.06mL至0.14mL；
2)利用T通道和导管搭建双T通道微流控装置，T通道和导管内径为500μm～1500μm，其材料应同时具有疏水性和疏油性；T通道三个接口中处于一条直线上的两个接口称为旁侧接口，另一个接口称为中间接口；将一个T通道A的一个旁侧接口与另一个T通道B的中间接口用导管连接，两个T通道的其余四个接口各连接一个导管；
3)将配制好的PAN溶液和硅油分别装入10ml注射器作为中间相和内外相，装有中间相PAN溶液的注射器与T通道A的旁侧接口导管相连；装有内相硅油的注射器与T通道A的中间接口导管相连，硅油粘度为50cst～350cst；装有外相硅油的注射器与T通道B的一个旁侧接口导管相连，硅油粘度为50cst～350cst；然后将三个注射器分别置于蠕动泵上；
4)通过设置蠕动泵参数的方式调节中间相、内相和外相的流速，生成内核为硅油，外壳为PAN的双重乳液，并使双重乳液持续产生，将制得的双重乳液收集于预装有粘度为50cs～350cs的硅油的烧瓶中；
5)将收集有双重乳液的烧瓶置于旋转蒸发仪上，调节水浴温度和转速，减压蒸馏除去双重乳液中的DMF，使其固化从而制得PAN微球；
6)超临界干燥：通过硅油-乙酸异戊酯-液态CO2的逐步置换，然后通过加 压加温使液态二氧化碳的温度和压力超过其液相的临界点。用不同粘度的硅油30cst-10cst-5cst-1cst-0.65cst由高到低依次浸泡固化后的PAN微球不低于至少10h，梯度置换内部的高粘度硅油；超临界干燥仪中液态CO2中置换2h以上，温度为37℃，使液态CO2进入超临界态后缓慢放气，保证内部压力在7.3MPa以上，使液态CO2维持在超临界态放气，即得到无溶剂中空PAN微球；
7)预氧化：管式炉中控制升温速度为2.5℃/min升至300℃，保持预氧化温度2h，然后自然降温至室温，整个预氧化过程都是在空气中进行，保证氧化反应可以正常进行；
8)碳化：管式炉中控制升温速度为16℃/min升至800℃，保持3min，自然降温至室温，整个碳化过程是在氩气氛围下进行，即可得到聚丙烯腈基双层碳靶丸(见图1)。

Claims (3)

1.一种基于聚丙烯腈基双层碳靶丸的制备方法，其特征在于利用乳液微封装法制备聚丙烯腈双重乳液，经过超临界干燥得到无溶剂的聚丙烯腈PAN微球；预氧化和碳化过程中，聚丙烯腈PAN分子结构由链状线型结构发生氰基环化、脱氢、脱氮反应转变为双层石墨结构，从而得到外部具有结构致密的皮层，内部具有结构疏松的芯层的聚丙烯腈PAN双层碳靶丸；其制备方法具体步骤如下：
1)以N，N-二甲基甲酰胺DMF为溶剂配制聚丙烯腈PAN溶液，聚丙烯腈PAN浓度为0.05g·mL-1至0.15g·mL-1，并加入甲基三辛基氯化铵Aliquat°336作为表面活性剂，Aliquat°336加入量为：每1mL PAN溶液加入0.06mL至0.14mL；
2)利用T通道和导管搭建双T通道微流控装置，T通道和导管内径为500μm～1500μm，其材料应同时具有疏水性和疏油性；T通道三个接口中处于一条直线上的两个接口称为旁侧接口，另一个接口称为中间接口；将一个T通道A的一个旁侧接口与另一个T通道B的中间接口用导管连接，两个T通道的其余四个接口各连接一个导管；
3)将配制好的聚丙烯腈PAN溶液与硅油分别装入注射器作为中间相、内相和外相，装有中间相聚丙烯腈PAN溶液的注射器与T通道A的旁侧接口导管相连；装有内相硅油的注射器与T通道A的中间接口导管相连；装有外相硅油的注射器与T通道B的一个旁侧接口导管相连，硅油粘度为50cst～350cst；然后将三个注射器分别置于蠕动泵上；
4)通过设置蠕动泵参数的方式调节中间相、内相和外相的流速，生成内部为硅油，外层为聚丙烯腈PAN的双重乳液，并使双重乳液持续产生，将制得的双重乳液收集于预装有粘度为50cst～350cst的硅油的烧瓶中；
5)将收集有双重乳液的烧瓶置于旋转蒸发仪上，调节水浴温度和转速，减压蒸馏除去双重乳液中的DMF，使其固化从而制得PAN微球；
6)超临界干燥：通过硅油-乙酸异戊酯-液态CO2的逐步置换，然后通过加压加温使液态二氧化碳的温度和压力超过其液相的临界点；用不同粘度的硅油30cst、10cst、5cst-1cst、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，梯度置换内部的高粘度硅油；超临界干燥仪中液态CO2中置换2h以上，温度为37～45℃，使液态CO2进入超临界态后缓慢放气，保证内部压力在7.3MPa以上，使液态CO2维持在超临界态放气，即得到无溶剂中空PAN微球；
7)预氧化：管式炉中控制升温速度为2.5～3℃/min升至300℃，保持预氧化温度2～2.5h，然后自然降温至室温，整个预氧化过程都是在空气中进行，保证氧化反应可以正常进行；
8)碳化：管式炉中控制升温速度为10～16℃/min升至800℃，保持3～5min，自然降温至室温，整个碳化过程是在氩气氛围下进行，即可得到聚丙烯腈基双层碳靶丸。
2.根据权利要求1所述的基于聚丙烯腈基双层碳靶丸的制备方法，其特征在于所述的乳液微封装法为基于微流控双T通道制备聚丙烯腈PAN双重乳液的方法。
3.根据权利要求1所述的基于聚丙烯腈基双层碳靶丸的制备方法，其特征在于所述的聚丙烯腈PAN分子结构由链状线型结构发生氰基环化、脱氢、脱氮反应转变为双层石墨结构。
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