扩链法木质素基碳纤维的制备及性能研究

发布时间：2021-11-06 11:08

　　木质素是自然界中第二大天然高分子材料,目前主要作为工业制浆的副产物直接排放,不仅是一种资源的浪费也会造成严重的环境污染。近年来,由于木质素价格低廉、含碳量高、来源广泛被作为制备碳纤维的理想原材料,这不仅提高了木质素的利用价值,也降低了碳纤维的生产成本。但是,木质素在提取和分离过程中发生了降解,分子量降低,获得的木质素基碳纤维强度低。因此,提高木质素的分子量是提高木质素基碳纤维强度的方法之一。本文以1,6-二溴己烷作为扩链剂和木质素上的酚羟基在碱溶液中反应来提高木质素的分子量,制备得到木质素扩链产物,将扩链产物熔融改性制备得到纺丝物料,然后采用熔融纺丝的方法制备得到初生纤维,再经过预氧化、碳化制备得到木质素扩链产物碳纤维。具体研究内容如下:采用FTIR、XPS、GPC、TG和Folin-Ciocalteua法等表征手段对木质素扩链产物的结构、分子量、酚羟基的含量和性能进行了测试。结果表明,1,6-二溴己烷主要和木质素上的酚羟基反应,随着1,6-二溴己烷含量的增加,酚羟基的含量逐渐减少,木质素扩链产物的分子量逐渐增加,热稳定性逐渐提高。考察了木质素扩链产物的溶解性,结果表明当木质素和1,6... 

【文章来源】：天津工业大学天津市

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PAN基碳纤维制备工艺图

第一章绪论3中间相沥青制备得到。其制备过程如图1-2所示[11]：（1）原料的获得：各向同性沥青和中间相沥青都可以从煤焦油、石油渣油通过净化、氧化热缩聚获得，各向同性沥青也可以通过聚氯乙烯等有机物裂解获得，中间相沥青更多的是通过萘、蒽等芳香化合物经过催化、热缩聚获得。（2）纤维的制备：由于沥青是由分子结构不同的芳烃化合物组成的混合物且分子量小，用溶剂很难将其完全溶解成黏稠的纺丝液，所以一般采用熔融纺丝。各向同性沥青一般利用离心、喷吹等方法制备短纤维，而中间相沥青直接通过牵伸卷绕便可获得连续的长纤维。（3）预氧化过程：沥青纤维在起始温度为200℃的空气等氧化气氛下发生氧化交联，形成不熔化的耐热结构。（4）碳化过程：将预氧化纤维在惰性气体的保护下梯度升温到1000～1200℃高温下进行热处理便可获得碳纤维。而中间相沥青碳纤维可以在达到2000～2800℃以上的高温热处理下进行石墨化获得高强高模的碳纤维。沥青基碳纤维的制备过程中，由于沥青的结构和性质比较复杂，所以获得可纺性好的原料是关键步骤。图1-2沥青基碳纤维制备工艺图Frigure1-2Preparationprocessflowofpitch-basedcarbonfiber1.2.1.3粘胶基碳纤维粘胶基碳纤维是由粘胶纤维为前驱体制备的碳纤维，粘胶纤维是用粘胶溶液纺丝制备的天然纤维素再生纤维。其制备过程如图1-3所示[12]：（1）纺丝溶液的制备：将木材、竹子等天然植物经过蒸煮、漂白、脱水干燥得到纤维素浆粕，然后将纤维素浆粕通过碱化、磺化、溶解、脱泡得到纺丝溶液。（2）纤维的制备：粘胶纤维一般采用湿法纺丝制备，纤维成型后需要牵伸、水洗、酸洗等后处理，使纤维达到所需的纤度、纯度和性能。（3）纤维的浸渍：提纯后的粘胶纤维需要放在催化剂中浸渍，因为催化剂可以改变粘胶?

天津工业大学硕士学位论文4结构的稳定性，因此粘胶纤维需要使用催化剂浸渍加氧化的方式使其结构达到稳定性的交联结构。（5）碳化过程：经过催化和初步裂解后的粘胶纤维在氮气保护下进一步裂解、芳构化，形成类石墨结构的过程。图1-3粘胶基碳纤维制备工艺图Figure1-3Flowchartofproducingviscosebasedcarbonfiber通过对比这三类碳纤维的制备工艺可以得出：PAN基碳纤维的制备工艺相对简单，沥青基碳纤维的原料价格低廉，但成分复杂，提取工艺繁琐。粘胶基碳纤维的制备工艺复杂，并且在制备过程中污染比较严重。因此，PAN基碳纤维占据碳纤维的主要市常1.2.2碳纤维的应用与其它合成纤维相比，碳纤维由于其优异的结构在压缩和拉伸两种模式下都具有良好的物理和机械性能，在结构应用中占据了领先地位[13]。在很多国家它被广泛的应用于军事、国防和航空航天等重要领域，随着碳纤维复合材料（CFRP）的兴起，它的应用领域和范围不断扩大，已经从军事扩展到民用等各个领域。1.2.2.1高端领域的应用在航空航天领域，碳纤维复合材料主要应用在空间光学遥感仪器中的精密零部件中，提高了其在宇宙空间环境下的尺寸稳定性，使其不受宇宙空间下外部环境的干扰；应用在空间相机中的支撑构件当中提高了其对刚度的要求和对空间环境的适应性[14]。A350XWB新一代喷气客机的机翼和机身采用碳纤维材料进行制备。预计在未来，中小型客机对碳纤维材料的需求将不断扩大[15]。1.2.2.2民用领域的应用碳纤维材料在汽车中的使用可以减轻车身的重量，进而节约能源，减少能耗，并且提高了车身的耐抗击能力。碳纤维材料在风力发电叶片上的使用可以满足叶片更大尺寸，以及风能转变为大量电能的需要，有利于人类开发和利用新能源，

【参考文献】：
期刊论文
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博士论文
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硕士论文
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本文编号：3479724