中間相瀝青纖維的制備及其不熔化機(jī)理.pdf

1、高性能中間相瀝青基碳纖維因其具有高導(dǎo)熱、高模量、高強(qiáng)度、低密度、耐腐蝕、高導(dǎo)熱、低熱膨脹系數(shù)等一系列優(yōu)異性能受到越來(lái)越多的關(guān)注和研究，主要應(yīng)用在航空航天、汽車行業(yè)等領(lǐng)域。不熔化過(guò)程是制備高性能中間相瀝青基碳纖維的關(guān)鍵步驟之一，其氧化動(dòng)力學(xué)很重要，有研究表明纖維的氧化增重階段符合一級(jí)反應(yīng)，且不熔化纖維較佳的氧含量范圍為8~12％。但是，瀝青纖維的氧化和官能團(tuán)的脫除是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，所以單從氧化纖維的重量和氧含量分析氧化機(jī)理具有很大局限。

2、r>　　因此，本文首先以萘系中間相瀝青為原料，用單螺桿擠出機(jī)熔融紡絲制備出中間相瀝青纖維，在卷繞收絲過(guò)程中使用制備的紡絲油劑提高纖維的加工性能。根據(jù)纖維的熱性能：差示掃描量熱法（DSC）、熱重分析（TG）、動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析（DMA）確定較佳的氧化溫度范圍，并制得一系列不同條件的不熔化纖維。從連串反應(yīng)機(jī)理出發(fā)，將氧化過(guò)程分為含氧官能團(tuán)的生成和脫除形成交聯(lián)結(jié)構(gòu)兩個(gè)反應(yīng)步驟，結(jié)合DMA、傅立葉紅外光譜（FT-IR）和固體核磁共振碳譜（13C-N

3、MR）等，研究了瀝青纖維的不熔化反應(yīng)機(jī)理。具體結(jié)果如下：
　　在紡絲過(guò)程中，通過(guò)控制紡絲溫度、泵供量和卷繞速度，可以獲得所需纖度的瀝青纖維，熔紡得到的中間相瀝青纖維的測(cè)量直徑與計(jì)算值比較符合，制備的紡絲油劑穩(wěn)定性良好，與瀝青的接觸角比水低了20°，可有效消除靜電，有利于瀝青纖維集束。
　　對(duì)于不熔化過(guò)程，DSC、TG、DMA分析確定了較佳的氧化溫度范圍為230~290℃，因此重點(diǎn)研究了230℃和290℃條件恒溫不同時(shí)間不熔化

4、纖維的氧化規(guī)律。纖維的氧化反應(yīng)過(guò)程表現(xiàn)在TG圖上即纖維的增、失重，表現(xiàn)在元素分析（EA）上是氧含量的明顯增加，說(shuō)明氧化不僅是含氧官能團(tuán)生成的過(guò)程，也是官能團(tuán)縮合和脫除的過(guò)程。結(jié)合連串反應(yīng)機(jī)理，可推導(dǎo)計(jì)算出不同溫度下氧化增重和脫除的反應(yīng)速率常數(shù)k1、k2，低溫時(shí)k1明顯大于k2，隨著溫度的升高，k2增加速度大于k1。當(dāng)k2明顯大于k1時(shí)，氧化反應(yīng)加快，但官能團(tuán)脫除和交聯(lián)的速度更快，整體表現(xiàn)為失重，此時(shí)的氧化溫度已不適合進(jìn)行不熔化。不僅如此