不同处理温度下碳纤维的ESCA研究

1.前言炭纤维的工业化生产,是通过将PAN.石油沥青或煤焦油沥青原料进行热处理制得。其热处理过程可分为两步: 〈a〉在300-500℃下前驱体纤维的表面予氧化处理; 〈b〉在1000-2500℃下纤维的热解炭化。复合材料关键性质是层间剪切强度,它主要取决于纤维与高聚物树脂两者间的粘合程度。所以,为了提高炭纤维与树脂基体间     

沥青前驱体氧形态对其沥青与炭纤维性能的影响（英文）

以乙烯焦油分别在200、250、300℃常压蒸馏所制基本沥青为原料,采用空气吹扫法制备了相应的各向同性可纺沥青(P200AT,P250AT和P300AT),经炭化后制备了相应的炭纤维。通过元素分析、族组分、TG-MS、FT-IR、~(13)C-NMR、XRD和SEM等手段对沥青和纤维进行了相应的分析表征,探究了沥青的氧化行为,以及沥青前驱体氧形态对其沥青纺丝性能和炭纤维结构性能的影响规律。结果表明:不同蒸馏温度所制沥青具有不同的物性特征,显示出不同的氧化特性。P250AT的软化点、炭收率、含氧量和甲苯不溶物含量均高于其他两种沥青。FT-IR和~(13)C-NMR表明P250AT沥青前驱体的氧形态主要以C=O形式存在,且含量高于P200AT和P300AT。由于沥青前驱体引入了氧化交联所形成的氧分子结构抑制了沥青纤维在预氧化过程中氧的增量,从而减弱了纤维在低温炭化过程中气体的释放,提升了炭纤维的力学性能。因此,P250AT所制沥青基炭纤维表现出较高的拉伸强度(980 MPa)。     

高压浸渍-炭化制备炭/炭复合材料的组织结构

为研究高压浸渍-炭化制备的炭/炭复合材料的组织结构,以1 K PAN基高强度炭纤维为增强体,以调制中温煤沥青为基体前驱体,采用超高压浸渍-炭化工艺制备出2.5D沥青基炭/炭复合材料.采用偏光显微镜及SEM电镜对材料内部的组织形态进行了观察.研究表明:以中温沥青为基体前驱体所制备的炭/炭复合材料,在纤维束内,由于纤维之间的孔隙较小,形成的基体组织主要为镶嵌组织;而在纤维束之间,由于空间较大,出现的基体组织既有镶嵌型组织,也有域型组织.在沥青基炭基体中,有孔洞、裂纹、沟槽等缺陷.     

静电纺丝法制备聚丙烯腈基纳米炭纤维及其表面结构表征

通过稳定化、炭化静电纺制的聚丙烯腈(PAN)前驱体纤维制备了直径为100nm～300nm的纳米炭纤维.用扫描电镜(SEM)、场发射扫描电镜(FESEM)、扫描隧道显微镜(STM)及扫描量热分析法(DSC)研究了纳米炭纤维及其前驱体纤维的形貌及结构.结果表明:纳米炭纤维及其前驱体纤维的直径表现为对数正态分布.静电纺制纤维的环化放热峰移向低温,表明静电纺制纤维可在较低的温度下引发环化.由于静电纺制纤维的粗糙表面及在热处理过程中的收缩行为,在纳米炭纤维表面形成了长度为10nm宽度为5nm的凹坑.     

石油基浸渍沥青的开发和表征

0 前言 浸渍沥青是制备用于炼钢工业的石墨电极的一种重要原料,也可作为炭纤维及其相关产品的前驱体。石油沥青由于性能上同煤焦油沥青相似,且对环境的污染更小,所以目前趋势是使用石油基浸渍沥青。它由芳烃原     

Si—B掺杂沥青基炭纤维的制备及其抗氧化性能

为了提高炭纤维的高温抗氧化性能,提出了一种制备Si—B掺杂沥青基炭纤维的方法。通过聚硼硅氮烷(PSNB)和石油沥青低温共裂解合成了Si—B掺杂沥青,Si—B掺杂沥青经熔融纺丝、原丝预氧化和炭化得到Si—B掺杂沥青基炭纤维。研究了Si—B掺杂沥青及其炭纤维的组成、微观结构和低温抗氧化性能。结果表明,随原料沥青中PSNB掺杂比例的提高,Si—B掺杂炭纤维的拉伸强度和杨氏模量逐渐降低,抗氧化性能逐渐增强。1 400℃炭化得到的Si—B掺杂炭纤维在600℃氧化240 min失重率为25%,650℃氧化140 min失重率为60%。未掺杂炭纤维在相同条件下的氧化失重率分别为46%和99%。Si—B掺杂炭纤维氧化形成的B_2O_3具有较好的流动性,可以在纤维表面形成连续的玻璃膜,有效地抑制基体炭的氧化。     

沥青基炭纤维(Pitch Based Carbon Fiber)

沥青基炭纤维是以燃料系或合成系沥青原料为前驱体,经调制、成纤、烧成处理而制成的纤维状炭材料.沥青炭纤维在20世纪60年代初由日本学者大谷杉郎首先研制成功,并于1970年由日本吴羽化学工业公司进行工业化生产.此后,由于碳质中间相的发现和"液相炭化"工艺的开发,特别是美国学者Singe等人在70年代用中间相沥青制造高性能连续沥青炭纤维工艺的开发成功,使沥青炭纤维的研究开发进入了一个新的阶段.由美国联合碳化物公司(UCC)制造的以"Thornel-P"为代表的高性能级沥青炭纤维问世,标志着沥青炭纤维工艺趋于成熟,成为继聚丙烯腈基炭纤维之后又一新型炭纤维材料.     

氧化沥青的初期炭化

一、前言由中间相沥青制造炭纤维的过程中,沥青纤维通常在空气中被氧化,然后在惰性气体保护下进行热处理。对于石油系沥青与煤焦油系沥青其结构是不同的.石油系沥青比煤焦油系沥青脂肪族含量多,而且主要成分     

纺丝用中间相沥青的有效制备途径

一、前言高质量的中间相沥青是高性能沥青炭纤维的前驱体,因而在高性能沥青炭纤维的制备过程中,中间相沥青的调制是最关键的一个环节.由于以上原因,在碳材料的研究领域中,有关沥青和中间相的学术研究一直非常活跃.在历届国际碳会议上都有大量关于沥青,中间相和炭化方面的文章发表.与此同时,我们还看到,每一种高性能沥青炭纤维产品的开发成功,都伴随着许多中间相沥青调制方面的专利问世.纺丝用中间相沥青要求具有理想的分子组成和结构,以使其在随后的纺丝过程中表     

Fe催化PAN炭纤维原位生长纳米炭纤维

为了研究气相生长纳米炭纤维在炭／炭复合材料制备中的应用，采用均热式化学气相沉积技术，以针刺PAN炭纤维薄毡为基体，二茂铁为催化剂前驱体，丙烯为炭源，氮气为载气，在炉压1．0kPa-1.3kPa，沉积温度880℃、920℃下进行了Fe催化PAN炭纤维原位生长纳米炭纤维的实验。经不同时间沉积后的样品在扫描电镜（SEM）下进行观察，发现880℃时沉积4h后在PAN炭纤维周围生成大量的原位生长纳米炭纤维，而在920℃时因催化剂失效导致热解炭对Fe催化剂颗粒包覆，形成颗粒状热解炭。     

不同晶体取向中间相沥青基带状炭纤维的制备与表征

以中间相沥青为原料, 采用不同长宽比的矩形截面喷丝板, 通过控制熔融纺丝时的收丝速率, 制得了具有不同截面尺寸和晶体取向的高定向中间相沥青基带状炭纤维, 并研究了热处理温度和喷丝孔截面尺寸对所得炭纤维结构和性能的影响。结果表明, 喷丝孔的形状和收丝速度对炭纤维的晶体取向有显著影响。当收丝速度一定时, 随着喷丝孔截面长宽比的减小, 带状炭纤维截面碳晶体层片由褶皱平行取向结构向辐射状垂直取向结构转变。随着热处理温度的升高, 所制得炭纤维的室温轴向电阻率显著减小, 热导率相应增大, 力学性能明显提高; 随着收丝速率的增大, 带状炭纤维室温轴向电阻率变化不大, 但对其力学性能有显著影响。当喷丝孔截面长宽比和纺丝速度分别为30:1和75 m/min 时, 2500℃石墨化纤维的拉伸强度和杨氏模量分别为2.53 GPa和234.77 GPa。     

Mesophase pitch-based carbon fiber spinning through a filter assembly and the microstructure evolution mechanism

A filter assembly in the upper stream of the spinneret was used to disturb the mesophase pitch (MP) melt flow during the spinning of precursor fibers. We studied the microstructure evolution mechanism of the MP-based carbon fibers during this process. Results showed that the use of filter assembly had a significant effect on the size of the split in the cross-section of carbon fibers. The split has been completely depressed in the carbon fibers spun with 50 layers of plain-weave. Selected area electron diffraction results showed that carbon fibers spun with 50 layers of plain-weave screens exhibited an apparent decrease of the orientational order of the (002) diffraction plane in both center and transition regions. The results of Raman spectroscopy indicated that, the size of graphitic microcrystalline domain in carbon fibers decreased with increasing the number of plain-weave screens in the filter assembly. Our studies confirmed the roles of the filter assembly in precursor fiber spinning to disrupt the mesophase domain formation in the MP melt and thus induce a reduced domain size.     

SiC－C纤维有机先驱体流变可纺性研究

用SiC纤维的先驱体聚碳硅烷与碳纤维先驱体沥青共混得到叮制备SiC-C纤维的先驱体PC-P共混物。它的流变纺丝性与组份聚碳硅烷和沥青的性质相关,只有两组份的可纺丝温度区间叠合,才可以得到可纺性好的PC-P共混先驱体。此研究结果对SiC-C纤维选择聚碳硅烷和沥青组份及共混工艺有指导意义。     

固/液态聚碳硅烷共混制备碳化硅纤维的研究

以超支化液态聚碳硅烷(LPCS)与固态聚碳硅烷(纯PCS)的共混物作先驱体,熔融纺丝;所得原丝再在热空气气氛中氧化交联,在高温氮气气氛中热裂解,得到碳化硅纤维。研究表明,15%(质量分数)LPCS的加入,可使纯PCS先驱体的纺丝温度,从285℃降低到225℃;纺丝性能和纤维表面质量明显提高;还可以提高氧化交联的效率,降低交联温度,从而减少纤维部分融并、粘结的弊端;虽然纤维的室温力学强度有所降低,但抗氧化性能提高,1400℃氧化交联后,力学性能几乎不变;而纯PCS的力学性能却降为原来的50%。     

低温炭化温度梯度对聚丙烯腈预氧纤维结构演变及碳纤维性能的影响

聚丙烯腈(PAN)预氧纤维在低温炭化阶段经热裂解重组而转化为具有乱层石墨结构雏形的低温炭化纤维,此阶段的温度调控对最终碳纤维的结构与性能有着重要影响。采用¹³C固体核磁共振谱图(¹³C-NMR)、拉曼光谱(Raman)、X射线衍射(XRD)和力学性能分析等手段,研究预氧纤维在低温炭化阶段的反应进程、温度梯度调控对预氧纤维的结构演变和碳纤维结构及性能的影响。结果表明:PAN预氧纤维在低温炭化过程中,经450℃热处理后碳结构的支链化程度达到最大值0.99,当处理温度达到550℃后,以芳环链段的重组交联为主要反应。低温炭化温度梯度影响预氧纤维的结构演变进程,当采用350—450—650℃的梯度升温模式时,先经450℃处理的低碳纤维中—C—C基团的¹³C-NMR位移最大,表明纤维内的支化交联反应最多,再经650℃处理的纤维d₀₀₂以及相应高碳纤维的I_A/I_G达到最大,说明其无定形碳相对含量最多,因而最终碳纤维的力学性能最差;当采用350—550—650℃的梯度升温模式时,纤维内裂解与重组交联反应有序开展,低碳和高碳纤维的碳结构更优,最终碳纤维的致密性及力学性能得到提升。     

The use of a nanocellulose-reinforced polyacrylonitrile precursor for the production of carbon fibers

Polyacrylonitrile (PAN) reinforced by nanocellulose (NC) in different concentrations was used as a precursor for carbon fiber production. The NC was prepared by mechanical and chemical treatments. For control of the spinning process, the rheological properties of PAN–NC solutions were investigated. The strong polar interaction between the nitrile groups of PAN and the hydroxyl groups of NC resulted in the formation of an interconnected structure, as shown by the rheological properties. In addition, the NC was an effective reinforcement for PAN precursor because of its high aspect ratio and good interfacial adhesion to the PAN matrix. The spun PAN–NC fibers, containing NC in different concentrations, were oxidatively stabilized at 280 °C in air and carbonized at 1000 °C in nitrogen. Using Raman spectroscopy the Tuinstra–Koenig formula was used to estimate the graphite crystallite size of the resulting carbon fiber and it was found to have been increased by incorporation of the NC. The possibility of a decrease in energy consumption by lowering the carbonization temperature as a result of incorporation of NC was confirmed.     

同步氢化/热缩聚法制备中间相沥青的工艺研究

系统地研究了在氢化剂量固定情况下,反应温度与时间对同步氢化/热缩聚法所制得的中间相沥青(MP)性质的影响,并制得了可纺MP。研究表明反应时间同为4h时,MP的软化点和不溶分含量随反应温度的提高而升高;偏光结果显示,低温产物为中间相小球和各向同性基质的混合物,高温产物为连续中间相。反应温度同为410℃时,MP软化点和不溶分含量均随反应时间的延长而显著提高,经历了从中间相小球到小球发生融并,最后形成了马赛克织构的中间相。纺丝性能测试表明,反应温度为410或420℃,反应4h制得的中间相沥青,可以熔融纺丝,经氧化和碳化后制得两组碳纤维。     

沥青原料对沥青基碳纤维结构与性能的影响

以中间相茶沥青(AR树脂)和各向同性煤沥青(ICP)为原料,系统研究了沥青原料性质与由其制备的碳纤维结构、性能之间的关系.研究表明,AR树脂中的一维有序中间相结构在纺丝中被拉伸,形成不同中间相间的界面,成为应力集中区,在后续碳化过程因应力释放导致纤维开裂而损害其力学性能;而ICP沥青基本为无定形相结构,在纺丝过程中无明...     

用STM研究渗硼改性碳纤维结构与力学性能的相关性

研究了PAN基碳纤维浸渍不同硼化物溶液进行高温热处理后(2500℃)对力学性能的影响。采用扫描隧道显微镜观察了渗硼处理对碳纤维表面微观形态结构的影响,同时还采用X-ray衍射技术分析了渗硼处理对纤维结构参数的影响。结果表明渗硼处理可提高CF的力学性能,采用硼化物A浸渍热处理后CF的模量和强度分别提高了10.3 %和15.3 %。通过STM观察可以很清楚看到渗硼处理可提高CF的择优取向和晶体尺寸,减少表面缺陷。X-ray衍射分析结果与STM一致,渗硼热处理提高了CF的晶体尺寸。      

DSC Study on the Polyacrylonitrile Precursors for Carbon Fibers

Different polyacrylonitrile (PAN) precursor fibers that displayed various thermal properties were studied by using differential scanning calorimetry (DSC). Results showed that some commercial PAN precursor fibers displayed double separated peaks and these fibers were of high quality because of their process stability during their conversion to carbon fibers of high performance. Some fabrication processes, such as spinning, drawing, could not apparently change the DSC features of a PAN precursor fiber. It was concluded that the thermal properties of a PAN precursor fiber was mainly determined from its comonomer content type and compositions.