沥青基碳纤维微结构的调控及SWCNT原位结构表征

摘要

以中间相沥青为先驱体有望获得价格低廉并具有优良传输性质的碳纤维，从液晶态先驱体纺丝制得碳纤维持续吸引着广大的碳工作者。但是中间相沥青纤维的氧化过程往往很耗时，是制备中间相沥青基碳纤维的制约环节，最终碳纤维的制备成本很高。此外中间相沥青基碳纤维的拉伸和压缩强度较低，限制了其应用。本论文的研究目标是对中间相沥青基碳纤维结构与性能进行调控，建立工艺、结构与性能之间的关系。本论文主要研究工作如下:
　　1.通过各向同性/中间相不相容混合沥青调控碳纤维的结构与性能。本文探索了不相容共混沥青的连续纺丝工作，选取具有相似熔融特性的萘系中间相沥青(AR沥青，Aromatic resin)和煤焦油系各向同性沥青(IPc，Coal tar-basedisotropic pitch)熔融共混制备不相容沥青混合物，对碳纤维结构和性能进行调控。研究发现各向同性沥青与中间相沥青的混溶性受到原料芳香度和分子尺寸的影响，IPc为高芳香度圆盘状分子且分子量居中的组分含量较高，与芳香度较低的棒状中间相大分子形成稳定相分离体系。IPc含量较低时（＜30wt％）以小球形式分散在中间相基体中，该共混先驱体具有优良的纺丝性能。当各向同性含量介于20-30 wt％时，中间相沥青的畴发生变形尺寸减小，相应的纤维中微畴的尺寸也较小，在后续碳化过程中石墨片层沿纤维径向形成弯曲的排列，均匀分散在纤维中的IPc进一步阻止石墨片层的有序排列和收缩，最终形成介于放射状和无规的截面形貌，纤维的力学强度得到显著提高。
　　2.通过改变喷丝口上方沥青熔体流动状态对中间相沥青基碳纤维结构进行调控及其调控机理的研究。结果表明在喷丝口上方设置筛网装置对碳纤维石墨片层沿径向的有序排列程度及径向劈裂的大小具有显著的影响，使用50层筛网制备得到的碳纤维截面结构完整，没有出现沿径向的劈裂。选区电子衍射和Raman光谱的定量研究证实了筛网装置在先驱体纺丝过程中对中间相熔体流动的扰动作用最终导致畴结构减小，高度剪切进一步加强了芳香沥青分子的翻转和歪斜，从而解释了碳纤维中的石墨片层的排列有序度降低。
　　3.利用多相沥青混合物改善纤维氧化性能，制备大直径沥青基碳纤维。通过比较IPc、AR及IPc/AR不相容共混沥青纤维的氧化性能，研究了IPc沥青对共混沥青纤维氧化性能的影响，利用混合沥青先驱体制备大直径沥青纤维。研究表明AR中间相沥青脂肪族含量较高，表现出较高的氧化活性，氧化过程中大量氧原子在纤维外部即已消耗，氧原子在纤维中的渗透和扩散比较困难，此外中间相沥青在氧化过程中容易在表层形成紧密的交联结构;而IPc沥青中的无定形态且反应活性较低有利于氧化过程中氧原子的渗透和扩散;共混沥青纤维中的IPc加快了氧原子在纤维中的扩散，并有利于提高纤维内部区域的氧分压，大大提高了纤维氧化效率。使用IPc/AR不相容共混沥青体系能够降低大直径纤维的氧化困难，使用氧气气氛有利于进一步提高其氧化效率。
　　此外，CNT(Carbon nanotubes)卓越的力学性能在进一步增强碳纤维上具有巨大潜力，成为了新一代高性能碳纤维的研究方向。使用简单且可重复的手段对SWCNT分散体系进行原位定量表征有利于充分发挥其在不同技术中的作用。因此，本论文的研究工作还包括以下内容:
　　研究了单壁碳纳米管(SWCNT，Single-walled carbon nanotube)分散体系制备、工艺与性能之间的关系。通过特性粘数[η]c、沉降参数s和扩散参数DG的测定对SWCNT的长度L、直径d、分子量M、密度ρ和表面活性剂吸附情况进行原位定量表征。由此得到了SWCNT分散体系Mark-Houwink-Sakurada方程为:[η]=1.17M0.33，方程指数＜0.5，与其他合成或天然的刚性棒状高分子存在着显著不同。这可以归因于超声过程对SWCNT捆束产生的同步打断和剥离作用，导致SWCNT的长度L与直径d之间存在着幂函数关系d∝L0.62。此外，对表面活性剂在SWCNT表面吸附情况进行定量研究进一步揭示了表面吸附的曲率效应对表面吸附率的影响。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 沥青基碳纤维简介

1．2 纺丝用中间相沥青先驱体的合成

1．3 主要制备工艺流程

1．3．1 熔融纺丝制备沥青纤维

1．3．2 沥青纤维的氧化过程

1．3．3 沥青纤维的碳化／石墨化

1．4 中间相沥青基碳纤维的结构与性能

1．4．1 中间相沥青基碳纤维的结构

1．4．2 中间相沥青基碳纤维的传输特性

1．4．3 中间相沥青基碳纤维的机械强度

1．4．4 其他性质

1．5 碳纳米管增强沥青基碳纤维

1．5．1 碳纳米管简介

1．5．2 碳纳米管增强碳纤维

1．5．3 碳纳米管分散体系的制备

1．5．4 碳纳米管分散体系的原位结构表征

1．6 本文的选题依据和研究目标

1．7 本文的研究思路及研究内容

参考文献

第二章 通过不相容混合沥青调控碳纤维的结构与性能

2．1 引言

2．2 实验

2．2．1 原料

2．2．2 沥青基碳纤维的制备流程

2．2．3 测试及表征

2．3 结果与讨论

2．3．1 沥青先驱体的组成与结构

2．3．2 混合沥青原料的结构与可纺性

2．3．3 原料改性对碳纤维结构与性能的影响

2．4 结论

参考文献

第三章 改变沥青熔体流动状态对纤维结构进行调控

3．1 引言

3．2 实验

3．2．1 沥青基碳纤维的制备流程

3．2．2 测试及表征

3．3 结果与讨论

3．3．1 筛网装置对中间相沥青织构及其碳纤维横截面结构的影响

3．3．2 筛网装置对碳纤维微结构演变的影响

3．4 结论

参考文献

第四章 改善纤维氧化性能制备大直径沥青基碳纤维

4．1 引言

4．2 实验

4．2．1 原料

4．2．2 沥青基纤维的制备流程

4．2．3 测试及表征

4．3 结果与讨论

4．3．1 不同沥青先驱体的氧化活性

4．3．2 沥青纤维的氧化效率

4．4 结论

参考文献

第五章 通过特性粘数、沉降参数和扩散参数对SWCNT进行原位定量表征

5．1 引言

5．2 理论背景

5．3 实验部分

5．3．1 SWCNT分散体系的制备

5．3．2 SWCNT分散体系的光谱表征

5．3．3 SWCNT分散体系沉降参数、扩散参数和特性粘度的测定

5．4 结果与讨论

5．4．1 SWCNT捆束结构在超声过程中的打断和剥离现象

5．4．2 打断和剥离对SWCNT的MHS方程的影响

5．4．3 SWCNT捆束直径及SDBS吸附作用对SWCNT密度的影响

5．5 结论

参考文献

第六章 结论与展望

6．1 工作回顾

6．2 未来展望

专业术语简写

作者在读期间科研成果简介

致谢