中间相沥青纤维的制备及其不熔化机理

摘要

高性能中间相沥青基碳纤维因其具有高导热、高模量、高强度、低密度、耐腐蚀、高导热、低热膨胀系数等一系列优异性能受到越来越多的关注和研究，主要应用在航空航天、汽车行业等领域。不熔化过程是制备高性能中间相沥青基碳纤维的关键步骤之一，其氧化动力学很重要，有研究表明纤维的氧化增重阶段符合一级反应，且不熔化纤维较佳的氧含量范围为8~12％。但是，沥青纤维的氧化和官能团的脱除是一个动态过程，所以单从氧化纤维的重量和氧含量分析氧化机理具有很大局限。
　　因此，本文首先以萘系中间相沥青为原料，用单螺杆挤出机熔融纺丝制备出中间相沥青纤维，在卷绕收丝过程中使用制备的纺丝油剂提高纤维的加工性能。根据纤维的热性能：差示扫描量热法（DSC）、热重分析（TG）、动态热机械分析（DMA）确定较佳的氧化温度范围，并制得一系列不同条件的不熔化纤维。从连串反应机理出发，将氧化过程分为含氧官能团的生成和脱除形成交联结构两个反应步骤，结合DMA、傅立叶红外光谱（FT-IR）和固体核磁共振碳谱（13C-NMR）等，研究了沥青纤维的不熔化反应机理。具体结果如下：
　　在纺丝过程中，通过控制纺丝温度、泵供量和卷绕速度，可以获得所需纤度的沥青纤维，熔纺得到的中间相沥青纤维的测量直径与计算值比较符合，制备的纺丝油剂稳定性良好，与沥青的接触角比水低了20°，可有效消除静电，有利于沥青纤维集束。
　　对于不熔化过程，DSC、TG、DMA分析确定了较佳的氧化温度范围为230~290℃，因此重点研究了230℃和290℃条件恒温不同时间不熔化纤维的氧化规律。纤维的氧化反应过程表现在TG图上即纤维的增、失重，表现在元素分析（EA）上是氧含量的明显增加，说明氧化不仅是含氧官能团生成的过程，也是官能团缩合和脱除的过程。结合连串反应机理，可推导计算出不同温度下氧化增重和脱除的反应速率常数k1、k2，低温时k1明显大于k2，随着温度的升高，k2增加速度大于k1。当k2明显大于k1时，氧化反应加快，但官能团脱除和交联的速度更快，整体表现为失重，此时的氧化温度已不适合进行不熔化。不仅如此，随着氧化温度升高，官能团的种类和结构也发生变化。FT-IR、13C-NMR和TG研究表明，随着氧化温度的升高，羟基逐渐转变为羧基，热稳定性提高。DMA表明随着官能团的脱除，纤维的交联程度增加。虽然随着氧化温度升高和时间延长交联程度进一步加深，但碳纤维的力学性能达到最高值后下降，表明不熔化的目的虽然是产生交联，但不能过分追求交联程度而导致纤维被过度氧化。

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第1章 绪 论

1.1 引言

1.2 沥青基碳纤维发展情况

1.3 沥青基碳纤维概述

1.4 中间相沥青基碳纤维的制备

1.4.1 碳纤维用沥青原料

1.4.2 中间相沥青纤维的制备

1.4.3 中间相沥青纤维的不熔化

1.4.4 不熔化纤维的碳化和石墨化

1.5 中间相沥青基碳纤维的结构与性能

1.5.1 纵向结构

1.5.2 横断面结构

1.6 选题目的和意义及研究内容

1.6.1 选题目的和意义

1.6.2 研究内容

第2章 中间相沥青纤维的制备

2.1 引言

2.2 实验部分

2.2.1 实验原料及仪器设备

2.2.2 实验过程

2.2.3 测试方法与表征手段

2.3 结果与讨论

2.3.1 萘系中间相沥青的性能表征

2.3.2萘系中间相沥青纤维的直径

2.3.3纺丝油剂的性能表征

2.4 本章小结

第3章 中间相沥青纤维不熔化机理的研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.2.1 中间相沥青纤维的不熔化

3.2.2 预氧化中间相沥青纤维的碳化

3.2.3 测试方法与表征手段

3.3 结果与讨论

3.3.1 中间相沥青纤维的热性能

3.3.2 预氧化纤维的重量分析

3.3.3 预氧化纤维的元素分析

3.3.4 预氧化纤维的官能团分析

3.3.5 预氧化纤维的吸湿性

3.3.6 预氧化纤维交联程度的表征

3.3.7 碳纤维单丝力学性能

3.4 本章小结

第4章 结论

参考文献

致谢