可控中间相含量萘沥青的调制及其大直径炭纤维结构性能研究

发布时间：2020-10-24 00:43

　　 中间相沥青基炭纤维具有高强高模、耐高温腐蚀的特性,又兼具优异的热电传导性能,是航空航天、国防工业等领域不可或缺的工程材料。沥青基炭纤维的显微结构是其物理性能的决定因素,而显微结构又与沥青先驱体的结构与性能直接相关,通过对沥青原料的调制可以实现炭纤维结构及性能的调控。本论文以萘沥青为原料,通过调控热缩聚工艺制备了具有不同中间相液晶含量的可纺沥青,并经熔融纺丝、氧化稳定化和高温炭化制备了大直径沥青基炭纤维。系统研究了萘沥青的热缩聚工艺条件,采用多种检测手段对合成沥青的结构和性能进行了表征。此外,研究了中间相液晶的含量对聚合沥青结构与性能(包括可纺性)的影响,并通过微观检测、拉伸试验及电阻率测试等分析方法对所制大直径炭纤维的结构和性能进行了分析,初步探讨了沥青原料内部中间相液晶含量对炭纤维结构和性能的影响。其主要结论如下:(1)热聚合温度、时间和压力等对中间相液晶的形成及转化有重要影响。在400~440~oC范围,反应温度升高,中间相液晶含量随之增大,当热缩聚温度达到440~oC时反应过于剧烈产生焦化现象;在430~oC下,随着聚合时间延长,中间相液晶从小球状逐渐向体中间相转化;提高反应体系压力,萘沥青聚合速率增加,同时抑制了芳烃大分子的裂解,与常压热聚合相比,可得到取向更为良好的广域结构中间相。萘沥青在反应温度为430~oC、反应压力为4 MPa条件下聚合8h可以制备出各向异性含量接近100 vol.%,软化点适中(282~oC)的广域流线型中间相沥青。采用合适的制备方法(直接热缩聚和空气氧化)并调控反应温度、聚合时间等工艺参数可以得到不同中间相含量(5 vol.%、30 vol.%、50 vol.%、75 vol.%、98 vol.%、100 vol.%)的萘沥青,通过进一步预处理,可以得到软化点在230~290~oC之间的可纺沥青。(2)中间相液晶含量对合成沥青的结构和性能有重要影响。随着聚合程度增加,合成沥青软化点升高,相应分子量和QI组分含量较高。中间相含量提高,液晶相从弥散的小球状逐渐向大域体织构转变,直至形成中间相含量接近100vol.%的广域流线型结构。适当脱轻组分预处理后,不同中间相含量合成沥青中的同性组分与异性组分可以形成较稳定的共存体系,在热态静置处理(~6 h)或熔融纺丝期间不发生明显相分离。中间相含量较低(~5 vol.%)时,分散在同性组分中的小球状液晶在纺丝时产生应力集中,相对于同性沥青其纺丝性能明显降低;中间相含量约为30 vol.%时,液晶相球体尺寸增大并产生少量融并体,各向同性组分为主相,其力学性能较低,无法实现连续收丝;当中间相含量超过50 vol.%时,各向异性组分作为连续相,合成沥青的纺丝效果较好,且各向异性含量越高,沥青的可纺性能越好。经筛网过滤处理后,合成沥青的可纺性进一步提高,纺丝连续性和稳定性明显增加。(3)中间相液晶含量对所制大直径(Φ~20μm)炭纤维微观结构和物理性能有重要影响。低中间相含量(~5 vol.%)合成沥青制备的纤维直径不均匀,拉伸强度明显低于各向同性可纺沥青所制炭纤维的强度。对于中间相含量大于50vol.%的可纺沥青,随中间相液晶含量增加,其对应炭纤维截面织构由无规结构向辐射结构转变,纤维内部分子排列逐渐规整,有序度增加,拉伸强度逐步提高,轴向电阻率明显降低,但是炭纤维更容易产生轴向劈裂,而且劈裂程度随沥青内中间相液晶含量增加而明显加剧。~98 vol.%中间相含量合成沥青所制炭纤维的拉伸强度为840 MPa,轴向电阻率为2.6×10~(-5)Ω.m。降低原料萘沥青灰分至170ppm所制高中间相含量(~100 vol.%)合成沥青的可纺性显著提高,所制大直径炭纤维的拉伸强度可以提高至980 MPa。
【学位单位】：武汉科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TQ522.65;TQ342.74
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 文献综述
    1.1 前言
    1.2 中间相沥青
        1.2.1 中间相沥青简介
        1.2.2 中间相沥青的前驱体原料
        1.2.3 中间相沥青的合成方法
        1.2.4 中间相沥青的形成机理
        1.2.5 中间相沥青的应用
    1.3 可纺中间相沥青的调制及其改性
        1.3.1 可纺中间相沥青的调制
        1.3.2 可纺中间相沥青的改性
    1.4 中间相沥青基炭纤维
        1.4.1 主要制备方法及工艺流程
        1.4.2 中间相沥青基炭纤维的结构与性能
        1.4.3 中间相沥青基炭纤维的应用
    1.5 选题背景、研究意义及研究内容
        1.5.1 选题背景及研究意义
        1.5.2 研究内容
第2章 实验及分析测试
    2.1 实验原料与实验设备
        2.1.1 原料及试剂
        2.1.2 仪器及设备
    2.2 实验方法
        2.2.1 实验工艺流程
        2.2.2 可纺沥青的调制
        2.2.3 沥青纤维的制备及后处理
    2.3 表征方法
        2.3.1 沥青的结构表征及性能测试
        2.3.2 纤维结构表征及性能测试
第3章 萘基合成沥青热缩聚工艺研究
    3.1 前言
    3.2 热聚合温度对合成沥青结构、组成和性能的影响
        3.2.1 热聚合温度的选择
        3.2.2 热聚合温度对合成沥青光学织构的影响
        3.2.3 热聚合温度对合成沥青组成及性能的影响
    3.3 保温时间对合成沥青结构、组成和性能的影响
        3.3.1 保温时间对中间相沥青光学织构的影响
        3.3.2 保温时间对合成沥青组成及性能的影响
    3.4 反应压力对合成沥青结构、组成和性能的影响
        3.4.1 反应压力对合成沥青光学织构的影响
        3.4.2 反应压力对合成沥青组成及性能的影响
    3.5 热聚合前后萘沥青分子结构分析
    3.6 本章小结
第4章 不同中间相含量萘沥青及其炭纤维的制备及表征
    4.1 前言
    4.2 不同中间相含量萘沥青的制备
        4.2.1 可控中间相含量萘沥青的制备工艺
        4.2.2 中间相含量对沥青光学织构的影响
        4.2.3 中间相含量对沥青组成及性能的影响
    4.3 不同中间相含量合成沥青的分子结构
        4.3.1 合成沥青的FT-IR分析
        4.3.2 合成沥青的1H-NMR分析
        4.3.3 合成沥青的MS分析
    4.4 不同中间相含量合成沥青的热态稳定性和可纺性
    4.5 中间相含量对炭纤维结构与性能的影响
        4.5.1 中间相含量对炭纤维结构的影响
        4.5.2 中间相含量对炭纤维性能的影响
    4.6 高中间相含量萘沥青及其炭纤维的优化
        4.6.1 净化萘沥青制备高中间相含量萘沥青
        4.6.2 高性能中间相沥青基炭纤维
    4.7 本章小结
第5章 结论与展望
    5.1 论文结论
    5.2 本论文的创新之处
    5.3 工作展望
致谢
参考文献
附录1 攻读硕士学位期间发表的论文
附录2 攻读硕士学位期间参加的科研项目

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本文编号：2853771