瀝青基碳纖維微結(jié)構(gòu)的調(diào)控及SWCNT原位結(jié)構(gòu)表征.pdf

1、以中間相瀝青為先驅(qū)體有望獲得價(jià)格低廉并具有優(yōu)良傳輸性質(zhì)的碳纖維，從液晶態(tài)先驅(qū)體紡絲制得碳纖維持續(xù)吸引著廣大的碳工作者。但是中間相瀝青纖維的氧化過(guò)程往往很耗時(shí)，是制備中間相瀝青基碳纖維的制約環(huán)節(jié)，最終碳纖維的制備成本很高。此外中間相瀝青基碳纖維的拉伸和壓縮強(qiáng)度較低，限制了其應(yīng)用。本論文的研究目標(biāo)是對(duì)中間相瀝青基碳纖維結(jié)構(gòu)與性能進(jìn)行調(diào)控，建立工藝、結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系。本論文主要研究工作如下:
　　1.通過(guò)各向同性/中間相不相容混合瀝

2、青調(diào)控碳纖維的結(jié)構(gòu)與性能。本文探索了不相容共混瀝青的連續(xù)紡絲工作，選取具有相似熔融特性的萘系中間相瀝青(AR瀝青，Aromatic resin)和煤焦油系各向同性瀝青(IPc，Coal tar-basedisotropic pitch)熔融共混制備不相容瀝青混合物，對(duì)碳纖維結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行調(diào)控。研究發(fā)現(xiàn)各向同性瀝青與中間相瀝青的混溶性受到原料芳香度和分子尺寸的影響，IPc為高芳香度圓盤狀分子且分子量居中的組分含量較高，與芳香度較低的棒狀中

3、間相大分子形成穩(wěn)定相分離體系。IPc含量較低時(shí)（＜30wt％）以小球形式分散在中間相基體中，該共混先驅(qū)體具有優(yōu)良的紡絲性能。當(dāng)各向同性含量介于20-30 wt％時(shí)，中間相瀝青的疇發(fā)生變形尺寸減小，相應(yīng)的纖維中微疇的尺寸也較小，在后續(xù)碳化過(guò)程中石墨片層沿纖維徑向形成彎曲的排列，均勻分散在纖維中的IPc進(jìn)一步阻止石墨片層的有序排列和收縮，最終形成介于放射狀和無(wú)規(guī)的截面形貌，纖維的力學(xué)強(qiáng)度得到顯著提高。
　　2.通過(guò)改變噴絲口上方瀝青熔

4、體流動(dòng)狀態(tài)對(duì)中間相瀝青基碳纖維結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)控及其調(diào)控機(jī)理的研究。結(jié)果表明在噴絲口上方設(shè)置篩網(wǎng)裝置對(duì)碳纖維石墨片層沿徑向的有序排列程度及徑向劈裂的大小具有顯著的影響，使用50層篩網(wǎng)制備得到的碳纖維截面結(jié)構(gòu)完整，沒(méi)有出現(xiàn)沿徑向的劈裂。選區(qū)電子衍射和Raman光譜的定量研究證實(shí)了篩網(wǎng)裝置在先驅(qū)體紡絲過(guò)程中對(duì)中間相熔體流動(dòng)的擾動(dòng)作用最終導(dǎo)致疇結(jié)構(gòu)減小，高度剪切進(jìn)一步加強(qiáng)了芳香瀝青分子的翻轉(zhuǎn)和歪斜，從而解釋了碳纖維中的石墨片層的排列有序度降低。

5、r>　　3.利用多相瀝青混合物改善纖維氧化性能，制備大直徑瀝青基碳纖維。通過(guò)比較IPc、AR及IPc/AR不相容共混瀝青纖維的氧化性能，研究了IPc瀝青對(duì)共混瀝青纖維氧化性能的影響，利用混合瀝青先驅(qū)體制備大直徑瀝青纖維。研究表明AR中間相瀝青脂肪族含量較高，表現(xiàn)出較高的氧化活性，氧化過(guò)程中大量氧原子在纖維外部即已消耗，氧原子在纖維中的滲透和擴(kuò)散比較困難，此外中間相瀝青在氧化過(guò)程中容易在表層形成緊密的交聯(lián)結(jié)構(gòu);而IPc瀝青中的無(wú)定形態(tài)且反

6、應(yīng)活性較低有利于氧化過(guò)程中氧原子的滲透和擴(kuò)散;共混瀝青纖維中的IPc加快了氧原子在纖維中的擴(kuò)散，并有利于提高纖維內(nèi)部區(qū)域的氧分壓，大大提高了纖維氧化效率。使用IPc/AR不相容共混瀝青體系能夠降低大直徑纖維的氧化困難，使用氧氣氣氛有利于進(jìn)一步提高其氧化效率。
　　此外，CNT(Carbon nanotubes)卓越的力學(xué)性能在進(jìn)一步增強(qiáng)碳纖維上具有巨大潛力，成為了新一代高性能碳纖維的研究方向。使用簡(jiǎn)單且可重復(fù)的手段對(duì)SWCNT分散

7、體系進(jìn)行原位定量表征有利于充分發(fā)揮其在不同技術(shù)中的作用。因此，本論文的研究工作還包括以下內(nèi)容:
　　研究了單壁碳納米管(SWCNT，Single-walled carbon nanotube)分散體系制備、工藝與性能之間的關(guān)系。通過(guò)特性粘數(shù)[η]c、沉降參數(shù)s和擴(kuò)散參數(shù)DG的測(cè)定對(duì)SWCNT的長(zhǎng)度L、直徑d、分子量M、密度ρ和表面活性劑吸附情況進(jìn)行原位定量表征。由此得到了SWCNT分散體系Mark-Houwink-Sakurada