瀝青基碳纖維微結構的調控及SWCNT原位結構表征.pdf

1、以中間相瀝青為先驅體有望獲得價格低廉并具有優(yōu)良傳輸性質的碳纖維，從液晶態(tài)先驅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程往往很耗時，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度較低，限制了其應用。本論文的研究目標是對中間相瀝青基碳纖維結構與性能進行調控，建立工藝、結構與性能之間的關系。本論文主要研究工作如下:
　　1.通過各向同性/中間相不相容混合瀝

2、青調控碳纖維的結構與性能。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，對碳纖維結構和性能進行調控。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（＜30wt％）以小球形式分散在中間相基體中，該共混先驅體具有優(yōu)良的紡絲性能。當各向同性含量介于20-30 wt％時，中間相瀝青的疇發(fā)生變形尺寸減小，相應的纖維中微疇的尺寸也較小，在后續(xù)碳化過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規(guī)的截面形貌，纖維的力學強度得到顯著提高。
　　2.通過改變噴絲口上方瀝青熔

4、體流動狀態(tài)對中間相瀝青基碳纖維結構進行調控及其調控機理的研究。結果表明在噴絲口上方設置篩網(wǎng)裝置對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構完整，沒有出現(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了篩網(wǎng)裝置在先驅體紡絲過程中對中間相熔體流動的擾動作用最終導致疇結構減小，高度剪切進一步加強了芳香瀝青分子的翻轉和歪斜，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瀝青對共混瀝青纖維氧化性能的影響，利用混合瀝青先驅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散比較困難，此外中間相瀝青在氧化過程中容易在表層形成緊密的交聯(lián)結構;而IPc瀝青中的無定形態(tài)且反

6、應活性較低有利于氧化過程中氧原子的滲透和擴散;共混瀝青纖維中的IPc加快了氧原子在纖維中的擴散，并有利于提高纖維內部區(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一步提高其氧化效率。
　　此外，CNT(Carbon nanotubes)卓越的力學性能在進一步增強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。使用簡單且可重復的手段對SWCNT分散

7、體系進行原位定量表征有利于充分發(fā)揮其在不同技術中的作用。因此，本論文的研究工作還包括以下內容:
　　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系。通過特性粘數(shù)[η]c、沉降參數(shù)s和擴散參數(shù)DG的測定對SWCNT的長度L、直徑d、分子量M、密度ρ和表面活性劑吸附情況進行原位定量表征。由此得到了SWCNT分散體系Mark-Houwink-Sakurada