以添加CNTs的Lyocell纤维为前驱体的碳纤维工艺及结构性能的研究

摘要

Lyocell纤维具有表面光滑，圆形截面，皮芯结构均匀，强度、取向度和结晶度高，纤度可控等优点，其性能符合优质碳纤维用原丝的要求，已广泛用于制备纤维素基碳纤维。众所周知，原丝和碳纤维的力学性能，尤其是强度，可以通过引入合适的添加剂来提高。碳纳米管具有较高的杨氏模量、硬度、柔韧性和导电性，特别是具有较大的长径比，可将其用于改性Lyocell纤维以提高原丝的力学性能，最终获得高强度纤维素基碳纤维。制备碳纤维之前，纤维素纤维必须经过催化剂处理，抑制热解过程中左旋葡萄糖的生成，以提高碳得率。本文的主要目的是以添加CNT的Lyocell纤维为基础，讨论最适合它的催化剂体系，分析其在热处理和碳化过程中的结构和性能变化，并与相同条件下制得的Lyocell基碳纤维进行比较，证明以该复合纤维为前驱体制备高强度纤维素基碳纤维的可行性。
　　 本论文介绍了粘胶纤维、Lyocell纤维等纤维素纤维及其碳纤维的研究状况，对纤维素纤维在制备碳纤维过程中的结构、性能和产物的变化进行了说明，并探讨了影响纤维素基碳纤维收率和性能的因素。
　　 首先，明确了催化剂在纤维素基碳纤维制备过程中的重要作用。以添加碳纳米管的Lyocell纤维为前驱体，选取含氮、磷的化合物为催化剂，成功制备了碳纳米管增强的新型纤维素基碳纤维。通过TG、元素分析、力学性能等测试方法对催化剂的种类、浓度和是否超声处理等催化条件进行了评价，获得了最适合Lyocell/CNT复合纤维的催化剂-浓度为7％的磷酸/尿素(P：N=2:1)混合溶液，用其制备的碳纤维的拉伸强度为985 MPa。催化处理后Lyocell/CNT复合纤维的热解反应级数从1.07增加到3.93，反应活化能从107 kJ/mol降低为99kJ/mol。
　　 其次，通过TG、GC-MS、元素分析、XRD、FT-IR和力学性能等测试方法，研究了Lyocell/CNT复合纤维在热处理和碳化过程中结构和性能的转变，并分析了催化剂的催化机理。结果表明，催化处理后，纤维的热分解温度降低，残留质量提高，裂解产物中二氧化碳比重增大，左旋葡萄糖的含量明显降低。随着低温热处理及碳化的进行，纤维中的日含量逐步下降，C含量升高，OH、C-H和H-O-H的伸缩振动吸收峰减弱，并出现C=O、C=C的伸缩振动吸收峰。在此过程中，纤维的结晶度和拉仲强度先降低后升高，1300℃时，分别达到18.74%和985 MPa。
　　 最后，通过上述测试方法及SEM对Lyocell/CNT复合纤维和Lyocell纤维及其碳纤维的各项性能进行了对比研究。结果表明，Lyocel//CNT复合纤维的热稳定性低于Lyocell纤维，但其碳含量、结晶度、拉伸强度都高于Lyocell纤维，而且Lyocell/CNT碳纤维的碳含量、结晶度和拉仲强度分别比Lyocell基碳纤维提高了约2.62%、10.24%和171MPa。两种原丝及其碳纤维都具有较光洁的表面和类似圆形截面，没有明显的孔洞和缺陷。