中間相瀝青基炭纖維具有高強高模、耐高溫腐蝕的特性,又兼具優(yōu)異的熱電傳導性能,是航空航天、國防工業(yè)等領域不可或缺的工程材料。瀝青基炭纖維的顯微結構是其物理性能的決定因素,而顯微結構又與瀝青先驅體的結構與性能直接相關,通過對瀝青原料的調制可以實現(xiàn)炭纖維結構及性能的調控。本論文以萘瀝青為原料,通過調控熱縮聚工藝制備了具有不同中間相液晶含量的可紡瀝青,并經熔融紡絲、氧化穩(wěn)定化和高溫炭化制備了大直徑瀝青基炭纖維。系統(tǒng)研究了萘瀝青的熱縮聚工藝條件,采用多種檢測手段對合成瀝青的結構和性能進行了表征。此外,研究了中間相液晶的含量對聚合瀝青結構與性能(包括可紡性)的影響,并通過微觀檢測、拉伸試驗及電阻率測試等分析方法對所制大直徑炭纖維的結構和性能進行了分析,初步探討了瀝青原料內部中間相液晶含量對炭纖維結構和性能的影響。其主要結論如下:(1)熱聚合溫度、時間和壓力等對中間相液晶的形成及轉化有重要影響。在400~440~oC范圍,反應溫度升高,中間相液晶含量隨之增大,當熱縮聚溫度達到440~oC時反應過于劇烈產生焦化現(xiàn)象;在430~oC下,隨著聚合時間延長,中間相液晶從小球狀逐漸向體中間相轉化;提高反應體系壓力,萘瀝青聚合速率增加,同時抑制了芳烴大分子的裂解,與常壓熱聚合相比,可得到取向更為良好的廣域結構中間相。萘瀝青在反應溫度為430~oC、反應壓力為4 MPa條件下聚合8h可以制備出各向異性含量接近100 vol.%,軟化點適中(282~oC)的廣域流線型中間相瀝青。采用合適的制備方法(直接熱縮聚和空氣氧化)并調控反應溫度、聚合時間等工藝參數可以得到不同中間相含量(5 vol.%、30 vol.%、50 vol.%、75 vol.%、98 vol.%、100 vol.%)的萘瀝青,通過進一步預處理,可以得到軟化點在230~290~oC之間的可紡瀝青。(2)中間相液晶含量對合成瀝青的結構和性能有重要影響。隨著聚合程度增加,合成瀝青軟化點升高,相應分子量和QI組分含量較高。中間相含量提高,液晶相從彌散的小球狀逐漸向大域體織構轉變,直至形成中間相含量接近100vol.%的廣域流線型結構。適當脫輕組分預處理后,不同中間相含量合成瀝青中的同性組分與異性組分可以形成較穩(wěn)定的共存體系,在熱態(tài)靜置處理(~6 h)或熔融紡絲期間不發(fā)生明顯相分離。中間相含量較低(~5 vol.%)時,分散在同性組分中的小球狀液晶在紡絲時產生應力集中,相對于同性瀝青其紡絲性能明顯降低;中間相含量約為30 vol.%時,液晶相球體尺寸增大并產生少量融并體,各向同性組分為主相,其力學性能較低,無法實現(xiàn)連續(xù)收絲;當中間相含量超過50 vol.%時,各向異性組分作為連續(xù)相,合成瀝青的紡絲效果較好,且各向異性含量越高,瀝青的可紡性能越好。經篩網過濾處理后,合成瀝青的可紡性進一步提高,紡絲連續(xù)性和穩(wěn)定性明顯增加。(3)中間相液晶含量對所制大直徑(Φ~20μm)炭纖維微觀結構和物理性能有重要影響。低中間相含量(~5 vol.%)合成瀝青制備的纖維直徑不均勻,拉伸強度明顯低于各向同性可紡瀝青所制炭纖維的強度。對于中間相含量大于50vol.%的可紡瀝青,隨中間相液晶含量增加,其對應炭纖維截面織構由無規(guī)結構向輻射結構轉變,纖維內部分子排列逐漸規(guī)整,有序度增加,拉伸強度逐步提高,軸向電阻率明顯降低,但是炭纖維更容易產生軸向劈裂,而且劈裂程度隨瀝青內中間相液晶含量增加而明顯加劇。~98 vol.%中間相含量合成瀝青所制炭纖維的拉伸強度為840 MPa,軸向電阻率為2.6×10~(-5)Ω.m。降低原料萘瀝青灰分至170ppm所制高中間相含量(~100 vol.%)合成瀝青的可紡性顯著提高,所制大直徑炭纖維的拉伸強度可以提高至980 MPa。
【學位單位】：武漢科技大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：TQ522.65;TQ342.74
【文章目錄】：
摘要
Abstract
第1章 文獻綜述
    1.1 前言
    1.2 中間相瀝青
        1.2.1 中間相瀝青簡介
        1.2.2 中間相瀝青的前驅體原料
        1.2.3 中間相瀝青的合成方法
        1.2.4 中間相瀝青的形成機理
        1.2.5 中間相瀝青的應用
    1.3 可紡中間相瀝青的調制及其改性
        1.3.1 可紡中間相瀝青的調制
        1.3.2 可紡中間相瀝青的改性
    1.4 中間相瀝青基炭纖維
        1.4.1 主要制備方法及工藝流程
        1.4.2 中間相瀝青基炭纖維的結構與性能
        1.4.3 中間相瀝青基炭纖維的應用
    1.5 選題背景、研究意義及研究內容
        1.5.1 選題背景及研究意義
        1.5.2 研究內容
第2章 實驗及分析測試
    2.1 實驗原料與實驗設備
        2.1.1 原料及試劑
        2.1.2 儀器及設備
    2.2 實驗方法
        2.2.1 實驗工藝流程
        2.2.2 可紡瀝青的調制
        2.2.3 瀝青纖維的制備及后處理
    2.3 表征方法
        2.3.1 瀝青的結構表征及性能測試
        2.3.2 纖維結構表征及性能測試
第3章 萘基合成瀝青熱縮聚工藝研究
    3.1 前言
    3.2 熱聚合溫度對合成瀝青結構、組成和性能的影響
        3.2.1 熱聚合溫度的選擇
        3.2.2 熱聚合溫度對合成瀝青光學織構的影響
        3.2.3 熱聚合溫度對合成瀝青組成及性能的影響
    3.3 保溫時間對合成瀝青結構、組成和性能的影響
        3.3.1 保溫時間對中間相瀝青光學織構的影響
        3.3.2 保溫時間對合成瀝青組成及性能的影響
    3.4 反應壓力對合成瀝青結構、組成和性能的影響
        3.4.1 反應壓力對合成瀝青光學織構的影響
        3.4.2 反應壓力對合成瀝青組成及性能的影響
    3.5 熱聚合前后萘瀝青分子結構分析
    3.6 本章小結
第4章 不同中間相含量萘瀝青及其炭纖維的制備及表征
    4.1 前言
    4.2 不同中間相含量萘瀝青的制備
        4.2.1 可控中間相含量萘瀝青的制備工藝
        4.2.2 中間相含量對瀝青光學織構的影響
        4.2.3 中間相含量對瀝青組成及性能的影響
    4.3 不同中間相含量合成瀝青的分子結構
        4.3.1 合成瀝青的FT-IR分析
        4.3.2 合成瀝青的1H-NMR分析
        4.3.3 合成瀝青的MS分析
    4.4 不同中間相含量合成瀝青的熱態(tài)穩(wěn)定性和可紡性
    4.5 中間相含量對炭纖維結構與性能的影響
        4.5.1 中間相含量對炭纖維結構的影響
        4.5.2 中間相含量對炭纖維性能的影響
    4.6 高中間相含量萘瀝青及其炭纖維的優(yōu)化
        4.6.1 凈化萘瀝青制備高中間相含量萘瀝青
        4.6.2 高性能中間相瀝青基炭纖維
    4.7 本章小結
第5章 結論與展望
    5.1 論文結論
    5.2 本論文的創(chuàng)新之處
    5.3 工作展望
致謝
參考文獻
附錄1 攻讀碩士學位期間發(fā)表的論文
附錄2 攻讀碩士學位期間參加的科研項目

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本文編號：2853771