交替電解法促進(jìn)PAN基炭纖維的催化石墨化研究.pdf

1、炭纖維(CF)是以碳為主要元素，過渡態(tài)亂層石墨炭為主要結(jié)構(gòu)，由有機(jī)纖維經(jīng)高溫炭化制備而成的一種多孔性纖維狀材料。它是一種具有許多寶貴的電學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)性能的新型材料。炭纖維的高強(qiáng)度和高模量很大程度上依賴于它的石墨化程度，一般通過對炭纖維原絲進(jìn)行高溫?zé)崽幚?HTT)對其原子重排和結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變提供能量以增強(qiáng)其石墨化程度。對于一些難石墨化炭材料，如聚丙烯腈基(PAN)炭纖維則宜采取添加催化劑的方法降低熱處理溫度并且提高其石墨化程度，即進(jìn)行催化石墨

2、化。在催化石墨化過程中，催化劑的選擇以及催化劑在炭纖維上的擔(dān)載和分散是至關(guān)重要的。一般采用的催化劑添加方法包括機(jī)械混合法、浸漬法以及電鍍法等，在這些方法中，催化劑主要擔(dān)負(fù)在炭材料表面，其分散效果并不理想。本研究以PAN基炭纖維為研究對象，采用交替直流電解方法在較溫和的條件下破壞了PAN基炭纖維的組織結(jié)構(gòu)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)催化劑在炭纖維上的有效負(fù)載，有效促進(jìn)了PAN基炭纖維的催化石墨化。 (1)以14 g/L Na2SO4+50 g/L

3、H3BO3+20 g/L C6H8O7·H2O(檸檬酸)的水溶液為電解液，對PAN基炭纖維進(jìn)行交替直流電解處理后采用X射線衍射儀(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)以及拉曼光譜對處理效果進(jìn)行表征。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：硼被成功負(fù)載和分散于炭纖維上，且PAN基炭纖維的無序化程度提高。交替直流電解處理過的PAN基炭纖維經(jīng)2400℃高溫處理1h后直徑明顯變小，表面變得粗糙。與未經(jīng)交替電解處理或經(jīng)浸硼處理的PAN基炭纖維相比，經(jīng)交替電解處理的PAN基炭纖維

4、的石墨化程度得到明顯提高。 (2)通過在磷酸和鉬酸鈉水溶液中交替直流電解，實(shí)現(xiàn)了磷—鉬元素催化劑在PAN基炭纖維上的沉積和分散，并促進(jìn)其石墨化，考察了熱處理溫度和電解液中鉬酸鈉濃度對PAN基炭纖維催化石墨化的影響。纖維的形貌，結(jié)構(gòu)變化以及元素組成分別通過SEM、XRD、激光拉曼光譜和能量散射譜儀(EDS)進(jìn)行表征。結(jié)果表明：通過交替直流電解處理，可以有效地破壞炭纖維的組織結(jié)構(gòu)，并同步實(shí)現(xiàn)催化劑在炭纖維上的分散和沉積，促進(jìn)了PAN

5、基炭纖維的催化石墨化。交替直流電解處理過的炭纖維經(jīng)24000C熱處理后，其石墨化度高達(dá)99％，Lc為380(A)。 (3)采用磷鉬酸作為催化劑，通過交替直流電解處理，將其擔(dān)載到炭纖維上，從而促進(jìn)PAN基炭纖維的石墨化。考察了熱處理溫度以及電解液中磷鉬酸濃度對PAN基炭纖維催化石墨化的影響。催化劑的擔(dān)載狀況、纖維的形貌和結(jié)構(gòu)變化等分別通過EDS、SEM和XRD進(jìn)行分析和表征。結(jié)果表明：在磷鉬酸和磷酸的水溶液中交替直流電解處理，可以