中間相瀝青基炭纖維具有高強(qiáng)高模、耐高溫腐蝕的特性,又兼具優(yōu)異的熱電傳導(dǎo)性能,是航空航天、國(guó)防工業(yè)等領(lǐng)域不可或缺的工程材料。瀝青基炭纖維的顯微結(jié)構(gòu)是其物理性能的決定因素,而顯微結(jié)構(gòu)又與瀝青先驅(qū)體的結(jié)構(gòu)與性能直接相關(guān),通過對(duì)瀝青原料的調(diào)制可以實(shí)現(xiàn)炭纖維結(jié)構(gòu)及性能的調(diào)控。本論文以萘瀝青為原料,通過調(diào)控?zé)峥s聚工藝制備了具有不同中間相液晶含量的可紡瀝青,并經(jīng)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(cè)手段對(duì)合成瀝青的結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行了表征。此外,研究了中間相液晶的含量對(duì)聚合瀝青結(jié)構(gòu)與性能(包括可紡性)的影響,并通過微觀檢測(cè)、拉伸試驗(yàn)及電阻率測(cè)試等分析方法對(duì)所制大直徑炭纖維的結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行了分析,初步探討了瀝青原料內(nèi)部中間相液晶含量對(duì)炭纖維結(jié)構(gòu)和性能的影響。其主要結(jié)論如下:(1)熱聚合溫度、時(shí)間和壓力等對(duì)中間相液晶的形成及轉(zhuǎn)化有重要影響。在400~440~oC范圍,反應(yīng)溫度升高,中間相液晶含量隨之增大,當(dāng)熱縮聚溫度達(dá)到440~oC時(shí)反應(yīng)過于劇烈產(chǎn)生焦化現(xiàn)象;在430~oC下,隨著聚合時(shí)間延長(zhǎng),中間相液晶從小球狀逐漸向體中間相轉(zhuǎn)化;提高反應(yīng)體系壓力,萘瀝青聚合速率增加,同時(shí)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(jié)構(gòu)中間相。萘瀝青在反應(yīng)溫度為430~oC、反應(yīng)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(diǎn)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(diào)控反應(yīng)溫度、聚合時(shí)間等工藝參數(shù)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(jìn)一步預(yù)處理,可以得到軟化點(diǎn)在230~290~oC之間的可紡瀝青。(2)中間相液晶含量對(duì)合成瀝青的結(jié)構(gòu)和性能有重要影響。隨著聚合程度增加,合成瀝青軟化點(diǎn)升高,相應(yīng)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(gòu)轉(zhuǎn)變,直至形成中間相含量接近100vol.%的廣域流線型結(jié)構(gòu)。適當(dāng)脫輕組分預(yù)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(shí),分散在同性組分中的小球狀液晶在紡絲時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力集中,相對(duì)于同性瀝青其紡絲性能明顯降低;中間相含量約為30 vol.%時(shí),液晶相球體尺寸增大并產(chǎn)生少量融并體,各向同性組分為主相,其力學(xué)性能較低,無法實(shí)現(xiàn)連續(xù)收絲;當(dāng)中間相含量超過50 vol.%時(shí),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(jīng)篩網(wǎng)過濾處理后,合成瀝青的可紡性進(jìn)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(duì)所制大直徑(Φ~20μm)炭纖維微觀結(jié)構(gòu)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(qiáng)度明顯低于各向同性可紡瀝青所制炭纖維的強(qiáng)度。對(duì)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(duì)應(yīng)炭纖維截面織構(gòu)由無規(guī)結(jié)構(gòu)向輻射結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變,纖維內(nèi)部分子排列逐漸規(guī)整,有序度增加,拉伸強(qiáng)度逐步提高,軸向電阻率明顯降低,但是炭纖維更容易產(chǎn)生軸向劈裂,而且劈裂程度隨瀝青內(nèi)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(qiáng)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(qiáng)度可以提高至980 MPa。
【學(xué)位單位】：武漢科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TQ522.65;TQ342.74
【文章目錄】：
摘要
Abstract
第1章 文獻(xiàn)綜述
    1.1 前言
    1.2 中間相瀝青
        1.2.1 中間相瀝青簡(jiǎn)介
        1.2.2 中間相瀝青的前驅(qū)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(jī)理
        1.2.5 中間相瀝青的應(yīng)用
    1.3 可紡中間相瀝青的調(diào)制及其改性
        1.3.1 可紡中間相瀝青的調(diào)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(jié)構(gòu)與性能
        1.4.3 中間相瀝青基炭纖維的應(yīng)用
    1.5 選題背景、研究意義及研究?jī)?nèi)容
        1.5.1 選題背景及研究意義
        1.5.2 研究?jī)?nèi)容
第2章 實(shí)驗(yàn)及分析測(cè)試
    2.1 實(shí)驗(yàn)原料與實(shí)驗(yàn)設(shè)備
        2.1.1 原料及試劑
        2.1.2 儀器及設(shè)備
    2.2 實(shí)驗(yàn)方法
        2.2.1 實(shí)驗(yàn)工藝流程
        2.2.2 可紡瀝青的調(diào)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(jié)構(gòu)表征及性能測(cè)試
        2.3.2 纖維結(jié)構(gòu)表征及性能測(cè)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(duì)合成瀝青結(jié)構(gòu)、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(duì)合成瀝青光學(xué)織構(gòu)的影響
        3.2.3 熱聚合溫度對(duì)合成瀝青組成及性能的影響
    3.3 保溫時(shí)間對(duì)合成瀝青結(jié)構(gòu)、組成和性能的影響
        3.3.1 保溫時(shí)間對(duì)中間相瀝青光學(xué)織構(gòu)的影響
        3.3.2 保溫時(shí)間對(duì)合成瀝青組成及性能的影響
    3.4 反應(yīng)壓力對(duì)合成瀝青結(jié)構(gòu)、組成和性能的影響
        3.4.1 反應(yīng)壓力對(duì)合成瀝青光學(xué)織構(gòu)的影響
        3.4.2 反應(yīng)壓力對(duì)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(jié)構(gòu)分析
    3.6 本章小結(jié)
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(duì)瀝青光學(xué)織構(gòu)的影響
        4.2.3 中間相含量對(duì)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(jié)構(gòu)
        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(duì)炭纖維結(jié)構(gòu)與性能的影響
        4.5.1 中間相含量對(duì)炭纖維結(jié)構(gòu)的影響
        4.5.2 中間相含量對(duì)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(jié)
第5章 結(jié)論與展望
    5.1 論文結(jié)論
    5.2 本論文的創(chuàng)新之處
    5.3 工作展望
致謝
參考文獻(xiàn)
附錄1 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文
附錄2 攻讀碩士學(xué)位期間參加的科研項(xiàng)目

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本文編號(hào)：2853771