热重分析模拟中间相沥青纤维的氧化与炭化

摘要

中间相沥青基炭纤维以沥青为原料,经调制、熔融纺丝、预氧化及炭化制得,具有高模量、低热膨胀、导热和导电等优良性能。预氧化与炭化是炭纤维制备过程的重要工序,控制合适的预氧化程度,优化预氧化工艺对炭纤维的性能、生产效率都至关重要,尤其是针对不同原料制备的中间相沥青纤维,选择合适的氧化温度以达到性能最优十分必要。而炭化作为预氧化的下一道热处理工序,与氧化反应的进程相关,通过探讨不同氧化程度的纤维在炭化过程的失重差异,可为今后工业生产以及实验室判断预氧化工艺提供参考。本论文的研究工作如下:
　　(1)以萘系沥青(M-A)、热缩聚法制得的石油沥青(M-B)为原料,借助热重分析仪(TG)以及傅里叶变换红外光谱(FTIR)对沥青纤维的氧化过程进行了研究,扫描电镜(SEM)和单丝拉伸仪对炭纤维的截面结构以及力学性能进行了表征。研究表明:氧化过程主要是脂肪链上的氢与氧反应形成C-O-C和C=O等含氧官能团,M-A由于脂肪侧链结构多,氧化活性高但其截面呈放射状结构,高温(＞300℃)氧化易加速炭纤维缺陷的形成,导致力学性能降低。M-B芳香度高,氧化活性较差,高温(300℃～320℃)氧化才能达到稳定化的效果。
　　(2)采用热重分析法研究不同氧化工艺制备的中间相沥青氧化纤维的失重过程,结合FT-IR、热重质谱联用(TG-MS)、SEM以及单丝拉伸仪分别分析了氧化纤维的官能团和炭化过程形成的气相产物的分布,以及炭纤维产品的微观结构和力学性能。研究表明:利用TG研究沥青纤维的炭化过程对氧化工艺的判断以及结构、性能预测具有一定的指导意义。
　　(3)利用FT-IR表征了中间相沥青纤维炭化失重过程的化学官能团变化,X射线衍射技术(XRD)以及单丝拉伸仪对炭化过程的结构与性能关系进行了研究,研究表明:炭化过程羟基、甲基的伸缩振动峰减弱,苯环的吸收峰和酸酐中C-O键的伸缩振动峰,在600℃以后消失,C=C吸收峰增强,纤维内部发生交联、环化、缩聚以及芳构化等化学反应。同时纤维的晶体结构的有序度不断提高,力学性能不断改善。
　　(4)基于炭化过程的化学变化以及失重速率曲线特点,建立了三阶段连续虚拟组分反应模型,通过实测值与模拟值对比分析,验证了该模型的有效性。
　　上述研究表明,根据中间相沥青纤维的原料性质以及结构特征,选择合适的氧化温度十分必要。同时利用TG研究中间相沥青纤维炭化的方法,对于氧化工艺的判断以及炭化过程的分析具有指导意义。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 炭纤维简介

1．2 沥青基炭纤维的发展概况

1．2 沥青基炭纤维的原料

1．2．1 各向同性沥青

1．2．2 中间相沥青

1．3 沥青基炭纤维的结构与性能

1．3．1 沥青基炭纤维的结构

1．3．2 结构与性能的关系

1．4 沥青基炭纤维的制备

1．4．1 可纺沥青的调制

1．4．2 沥青纤维的熔融纺丝

1．4．3 沥青纤维的预氧化

1．4．4 沥青纤维的炭化

1．4．5 沥青基炭纤维的石墨化

1．5 本文的选题背景与研究内容

1．5．1 选题背景

1．5．2 研究内容

第2章 实验方案

2．1 中间相沥青基炭纤维的制备

2．1．1 实验原料

2．1．2 中间相沥青熔融纺丝

2．1．3 预氧化与炭化工艺

2．2 表征手段

2．2．1 原料组分分析

2．2．2 原料热稳定性表征

2．2．3 纤维化学结构表征

2．2．4 炭纤维晶体结构表征

2．2．5 炭化过程的质谱分析

2．2．6 炭纤维截面结构表征

2．2．7 炭纤维力学性能表征

第3章 不同原料中间相沥青纤维的预氧化

3．1 引言

3．2 中间相沥青纤维的原料性质

3．2．1 沥青原料的族组分分析

3．2．2 沥青原料的红外光谱分析

3．2．3 沥青纤维的热稳定性测试

3．3 中间相沥青纤维的氧化

3．3．1 热重分析氧化增重过程

3．3．2 红外分析化学官能团的变化

3．3．3 不熔化反应动力学参数的计算

3．4 中间相沥青氧化纤维的炭化失重差异

3．5 中间相沥青炭纤维的结构差异

3．6 中间相沥青炭纤维的性能差异

3．7 本章小结

第4章 热重分析中间相沥青纤维的炭化

4．1 引言

4．2 升温速率对炭化失重过程的影响

4．3 氧化工艺对炭化失重过程的影响

4．3．1 中间相沥青原丝的炭化失重

4．3．2 氧化纤维的炭化失重过程

4．4 中间相沥青纤维炭化过程的结构与性能

4．4．1 沥青纤维炭化过程的化学官能团变化

4．4．2 沥青纤维在炭化过程的晶体结构及力学性能变化

4．5 炭化失重过程的数学模拟

4．6 本章小结

结论

参考文献

致谢

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