以添加CNTs的Lyocell纖維為前驅(qū)體的碳纖維工藝及結(jié)構(gòu)性能的研究.pdf

1、Lyocell纖維具有表面光滑，圓形截面，皮芯結(jié)構(gòu)均勻，強度、取向度和結(jié)晶度高，纖度可控等優(yōu)點，其性能符合優(yōu)質(zhì)碳纖維用原絲的要求，已廣泛用于制備纖維素基碳纖維。眾所周知，原絲和碳纖維的力學(xué)性能，尤其是強度，可以通過引入合適的添加劑來提高。碳納米管具有較高的楊氏模量、硬度、柔韌性和導(dǎo)電性，特別是具有較大的長徑比，可將其用于改性Lyocell纖維以提高原絲的力學(xué)性能，最終獲得高強度纖維素基碳纖維。制備碳纖維之前，纖維素纖維必須經(jīng)過催化劑處理

2、，抑制熱解過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纖維為基礎(chǔ)，討論最適合它的催化劑體系，分析其在熱處理和碳化過程中的結(jié)構(gòu)和性能變化，并與相同條件下制得的Lyocell基碳纖維進行比較，證明以該復(fù)合纖維為前驅(qū)體制備高強度纖維素基碳纖維的可行性。
　　 本論文介紹了粘膠纖維、Lyocell纖維等纖維素纖維及其碳纖維的研究狀況，對纖維素纖維在制備碳纖維過程中的結(jié)構(gòu)、性能和產(chǎn)物的變化進行了說明，

3、并探討了影響纖維素基碳纖維收率和性能的因素。
　　 首先，明確了催化劑在纖維素基碳纖維制備過程中的重要作用。以添加碳納米管的Lyocell纖維為前驅(qū)體，選取含氮、磷的化合物為催化劑，成功制備了碳納米管增強的新型纖維素基碳纖維。通過TG、元素分析、力學(xué)性能等測試方法對催化劑的種類、濃度和是否超聲處理等催化條件進行了評價，獲得了最適合Lyocell/CNT復(fù)合纖維的催化劑-濃度為7％的磷酸/尿素(P：N=2:1)混合溶液，用其制備的

4、碳纖維的拉伸強度為985 MPa。催化處理后Lyocell/CNT復(fù)合纖維的熱解反應(yīng)級數(shù)從1.07增加到3.93，反應(yīng)活化能從107 kJ/mol降低為99kJ/mol。
　　 其次，通過TG、GC-MS、元素分析、XRD、FT-IR和力學(xué)性能等測試方法，研究了Lyocell/CNT復(fù)合纖維在熱處理和碳化過程中結(jié)構(gòu)和性能的轉(zhuǎn)變，并分析了催化劑的催化機理。結(jié)果表明，催化處理后，纖維的熱分解溫度降低，殘留質(zhì)量提高，裂解產(chǎn)物中二氧化碳

5、比重增大，左旋葡萄糖的含量明顯降低。隨著低溫?zé)崽幚砑疤蓟倪M行，纖維中的日含量逐步下降，C含量升高，OH、C-H和H-O-H的伸縮振動吸收峰減弱，并出現(xiàn)C=O、C=C的伸縮振動吸收峰。在此過程中，纖維的結(jié)晶度和拉仲強度先降低后升高，1300℃時，分別達(dá)到18.74%和985 MPa。
　　 最后，通過上述測試方法及SEM對Lyocell/CNT復(fù)合纖維和Lyocell纖維及其碳纖維的各項性能進行了對比研究。結(jié)果表明，Lyocel