通用型沥青基炭纤维纺丝工艺的优化研究

以软化点为294℃、喹啉不溶物为28.35%的各向同性沥青为原料,以通用型沥青基炭纤维的丝径与抗拉强度为评价指标,选择原丝制备过程中的纺丝温度、纺丝压力和拉伸速率工艺参数,运用三元二次回归正交设计对纺丝工艺进行优化组合,探究了最佳的纺丝工艺条件。研究结果表明,纺丝温度及纺丝压力对炭纤维丝径与抗拉强度的显著性影响大于拉伸速率的显著性影响。在纺丝温度为383℃、纺丝压力为0.26 MPa、拉伸速率为319 m/min的条件下进行熔融纺丝,将纺制的原丝经过预氧化和炭化处理后,获得的炭纤维丝径为15.6μm,其抗拉强度达到631 MPa。     

PAN纤维原丝的热性能研究

本文通过对ＰＡＮ纤维原丝差热性能和热失重性能的分析，对几种ＰＡＮ原丝的质量做了初步评价，从分析的结果可明显看出，原丝的差热曲线和热失重曲线对炭纤维生产工艺中原丝预氧化温度和预氧化，炭化速率和确定有着要的理论指导意义。     

聚丙烯腈预氧丝预氧化程度表征分析

为考察红外光谱与热分析对聚丙烯腈原丝预氧化程度表征的准确程度,用傅里叶变换红外光谱仪、综合热分析仪等对PAN原丝及其预氧丝进行了测试。对红外光谱测试中各影响因素进行了探讨,并依此对不同预氧丝的红外光谱及相对环化率进行了分析。对原丝及预氧丝在不同气氛下的热性能进行了比较,并对其环化度进行了分析。结果表明:红外光谱与热分析均能定性反映出预氧丝的预氧化程度,而定量计算出的相对环化率则不具可比性,环化度会较真实值偏高。     

高模高强炭纤维制备有望国产化

<正>近日,由北京化工大学承担的北京市科委新材料专项课题"M40J高模高强炭纤维国产化制备技术研发"通过专家验收。M40J高模高强炭纤维是支撑航天技术发展的重要结构材料。该课题突破了国产M40J级高模高强炭纤维石墨微晶叠层厚度的调控、原丝牵伸匹配和预氧化环状结构含量控制等关键技术,形成了原丝和预氧化炭化石墨化的完整制备工艺,能满足卫星结构用炭纤维的基础指标要求。在此基础上,课题组形成了百千克级/年国产M40J级炭纤维的小批     

PAN原丝直径对碳纤维收率的影响

对不同预氧化条件下两种直径PAN原丝的碳纤维收率进行了分析,并利用TG、XPS、NMR、Raman等测试表征方法,深入讨论了原丝直径对其碳纤维收率的影响。结果表明:预氧化温度越高,PAN原丝的碳纤维收率越高,相同工艺条件下粗直径PAN原丝的碳纤维收率高于细直径原丝的碳纤维收率,粗直径PAN原丝的热失重一直低于细直径原丝的热失重,细直径PAN预氧丝的预氧化程度高于粗直径PAN原丝的预氧化程度,而不同直径预氧丝表面元素及碳纤维表面微晶结构无差异。     

聚丙烯腈纤维的预氧化技术

目前,世界炭纤维产量的90％左右是由聚丙烯腈纤维生产的。在由聚丙烯腈纤维向炭纤维的转化过程中,预氧化是一重要工序。如果说高质量原丝是制取高性能炭纤维的前提,那么合理预氧化炉的设计和最佳工艺参数的选择则是制造优质炭纤维的必备条件。从预氧化,炭化和石墨化工序所需时间来看,预氧化所需时间最长,是控制产量的主要因素。所以,炭纤维的质量和产量都与预氧化工序息息相关。研究这一过程历来受人重视,直至今天仍是一个重要的研究课题。本文就预氧化反应、设备、工艺以及预氧化程度的控制作一评述。     

神华煤热解特性与非等温动力学研究

利用热重分析法对神华煤热分解特性进行了研究,探讨了升温速率对煤热解失重过程的影响。热重分析表明,神华煤最适宜的液化温度为340℃～531℃。采用Flynn-Wall-Ozawa法对热解动力学参数进行求解,并结合Satava-Sestak法对神华煤热解机理进行推测,结果表明,神华煤热解过程为三维扩散机理,整个热解反应活化能分布区间为124.8kJ/mol～217.1kJ/mol。在热解温度范围内,神华煤热解的表观活化能随着反应深度的增加而降低。     

煤沥青的炭化动力学模型

用TG-DTG方法分析了煤沥青在氮气中从200℃到750℃的热分解过程,把煤沥青的热分解过程分为三个阶段,分别看作煤沥青中γ,β和α组分的连续性反应,采用Coats-redfern方法对煤沥青的TG曲线进行处理,结果表明,三种组分的热解动力学都属于一级反应,其活化能和频率因子分别为36.807kJ/mol,185.205kJ/mol,65.828kJ/mol和1.154s-1,3.533×109s-1,5.823s-1.建立了煤沥青热分解的总动力学模型,计算值与TG-DTG的实验结果吻合良好,表明该动力学模型能够很好地描述煤沥青的炭化过程.同时讨论了不同族组分含量对煤沥青的TG曲线的影响.     

水溶性沥青热解机理的研究

通过混酸氧化中温煤焦油沥青制备水溶性沥青,利用热重分析研究水溶性沥青的热解机理。根据Dollimore提出的TG/DTG曲线形状推断水溶性沥青热解反应动力学机理函数,利用Achar-Brindley-Wendworth方程拟合直线计算热解活化能。结果表明,中温煤焦油沥青在170⁵50℃阶段热转化动力学机理函数符合Dollimore的F1,最概然机理函数f(α)=1-α,反应为一级,活化能32.5 kJ/mol;水溶性沥青在155550℃阶段热转化动力学机理函数符合Dollimore的F1,最概然机理函数f(α)=1-α,反应为一级,活化能32.5 kJ/mol;水溶性沥青在155⁴60℃阶段热转化属于Dollimore的D_3,最概然机理函数1.5(1-α)460℃阶段热转化属于Dollimore的D_3,最概然机理函数1.5(1-α)^(2/3)[1-(1-α)(2/3)[1-(1-α)^(1/3)](1/3)]^(-1),反应机理是三维扩散,球形对称,活化能是82.8 k J/mol;在465(-1),反应机理是三维扩散,球形对称,活化能是82.8 k J/mol;在465⁶50℃范围内是亲水基团热解,符合Dollimore的F1,最概然机理函数f(α)=1-α,反应为一级,反应活化能41.6 k J/mol。水溶性沥青热稳定性较中温煤焦油沥青好。     

煤焦油沥青质加氢转化动力学

在反应温度为350～410℃,反应时间为30～150min条件下,于高压反应釜内对煤焦油进行催化加氢实验,开展沥青质加氢转化动力学研究,构建沥青质、油、焦炭和气体之间四集总反应动力学模型,根据实验数据拟合一系列动力学参数。结果表明,在催化加氢反应条件下,煤焦油沥青质转化率高达62.1%,主要转变成油相。在沥青质加氢转化动力学模型中,气体、油相和焦炭生成均近似符合一级反应动力学模型。沥青质转化反应活化能较低为44.027 kJ/mol,说明催化加氢反应条件有利于沥青质加氢裂解反应。沥青质转化成油相、气体和焦炭3个平行反应中,活化能分别为76.250,64.107和55.418 kJ/mol,说明在本研究的催化加氢反应条件下,提高反应温度有利于沥青质往油相生成方向进行。     

水溶性沥青热解机理的研究

通过混酸氧化中温煤焦油沥青制备水溶性沥青,利用热重分析研究水溶性沥青的热解机理。根据Dollimore提出的TG/DTG曲线形状推断水溶性沥青热解反应动力学机理函数,利用Achar-Brindley-Wendworth方程拟合直线计算热解活化能。结果表明,中温煤焦油沥青在170~550℃阶段热转化动力学机理函数符合Dollimore的F1,最概然机理函数f(α)=1-α,反应为一级,活化能32.5 kJ/mol;水溶性沥青在155~460℃阶段热转化属于Dollimore的D_3,最概然机理函数1.5(1-α)~(2/3)[1-(1-α)~(1/3)]~(-1),反应机理是三维扩散,球形对称,活化能是82.8 k J/mol;在465~650℃范围内是亲水基团热解,符合Dollimore的F1,最概然机理函数f(α)=1-α,反应为一级,反应活化能41.6 k J/mol。水溶性沥青热稳定性较中温煤焦油沥青好。     

溴化丁基橡胶液体抗氧剂的热分析研究

用热失重法(TG)和差示扫描量热法(DSC)分别测定了添加4种新型液体抗氧剂的溴化丁基橡胶(BIIR)的热失重温度、氧化诱导时间和氧化诱导温度,综合考察了4种抗氧剂的热稳定性和抗氧化性能,评选出性能最好的抗氧剂及其最佳添加量,并分别计算了BIIR的等温和非等温(动态)热氧化反应的活化能。结果表明,4种抗氧剂的热稳定性和抗氧化效果差异较大,但均能不同程度改善BIIR热氧化稳定性。等温热氧化动力学实验结果表明,BIIR热氧化反应符合阿伦尼乌斯方程,抗氧剂添加前后BIIR等温氧化反应活化能分别为131.14kJ/mol、150.25kJ/mol;动态热氧化动力学实验得到抗氧剂加入前后BIIR的非等温氧化反应活化能分别为86.23kJ/mol和108.49kJ/mol。     

神华煤液化残渣的加氢反应动力学

在微型反应管中,以神华煤液化残渣为原料,四氢萘为溶剂,在氢初压6 MPa、反应温度425～485℃、反应时间为0～30 min条件下,进行了煤液化残渣加氢实验,研究了煤液化残渣的加氢动力学特性。将氢化产物分为油气、沥青质和四氢呋喃不溶有机质,根据集总概念建立了煤液化残渣的加氢动力学模型,所建模型与实验值吻合程度高。在实验条件下,四氢呋喃不溶有机质向沥青质转化的活化能为147.41 kJ·mol^-1,沥青质向油气转化的活化能为34.81 kJ·mol^-1,沥青质缩合为四氢呋喃不溶有机质的活化能为173.48 kJ·mol^-1。     

聚丙烯腈原丝的预氧化过程研究

采用透射电子显微镜(TEM)、差示扫描量热(DSC)分析仪、红外吸收光谱(FTIR)分析仪和元素分析仪等为主要手段,系统地研究了聚丙烯腈预氧化过程中结构的变化过程。结果发现：在预氧化过程中,聚丙烯腈原丝主要进行化学结构变化和形态结构的重排,首先在无定形区引发环化反应,然后扩展至有序区,最终形成耐热的梯形环化结构。预氧丝的片层组织是由原丝片层结构演变过来的,随着预氧化温度的升高,片层状形态增多,特别是预氧化后期更多     

中间相沥青基炭纤维在CO_2中氧化特性的研究

通过热重分析仪(TG)、X射线衍射(XRD)、拉曼光谱(Raman spectra)以及扫描电镜(SEM)等检测方法探索了不同炭化温度的中间相沥青基炭纤维在CO_2中的氧化特性。结果表明,在恒温氧化阶段,炭纤维失重率与氧化时间呈线性关系,较高炭化温度处理的中间相沥青基炭纤维,由于其较好的石墨微晶结构,抗氧化性能较好。炭纤维在CO_2中氧化烧蚀,会导致纤维表面形貌发生变化,随着反应进行,氧化反应向纤维内部扩散。在相同氧化条件下,炭化温度较高的炭纤维保持形貌能力更强。     

聚丙烯腈基碳纤维原丝预氧化前处理工艺

正本发明是一种聚丙烯腈基碳纤维原丝预氧化前处理工艺,其特征在于,在聚丙烯腈基碳纤维原丝预氧化前,将聚丙烯腈基碳纤维原丝置于质量分数为5%~15%的高锰酸钾溶液中浸渍处理1~10 min,浸渍温度为50~90℃;浸渍完毕后,将聚丙烯腈基碳纤维原丝进行水洗和烘干。经过本发明处理的碳纤维用聚丙烯腈原丝能够使预氧化反应在较低的环化反应起始温度下进行,且原丝的放热量增加,预氧化程度有所提高。本发明     

油剂在聚丙烯腈基碳纤维中的应用

以丙烯腈、衣康酸为共聚单体反应制得聚丙烯腈原丝，通过调整上油工艺控制原丝的含油率，讨论了4种油剂对原丝性能及预氧化效果的影响。结果表明：经上油处理的原丝断裂强度和断裂伸长率升高；预氧化过程毛丝和断丝较少，无熔粘；预氧化环化反应程度不同，与国外预氧丝相比密度偏低。改性氨基硅油基本达到碳纤维专用油剂的性能，可用于聚丙烯腈原丝生产，制备高性能碳纤维。     

轻质和重质原油氧化特性及其动力学

通过热重/微商热重-差热联用分析手段(TG/DTG-DTA)对比分析了一种轻质油和一种重质油的氧化特性和氧化动力学参数。实验结果表明:重质油和轻质油在常压空气流条件下的氧化反应都可以观察到3个明显的反应区间,分别为低温氧化反应(LTO),燃料沉积(FD)和高温氧化反应(HTO)。DTA曲线显示重质油在低温氧化(LTO)和高温氧化(HTO)反应区间的放热峰热流量均高于轻质油,且在高温氧化反应阶段(HTO)更明显。对比分析TG和DTG曲线发现,重质油开始发生快速热重损失及出现最高质量损失速率的温度均高于轻质油。采用Arrhenius方法和Ingraham-Marrier(I-M)方法计算的重质油的氧化反应活化能(LTO,26.19—26.45 kJ/mol和HTO,150.45—157.11 kJ/mol)均高于轻质油的活化能(LTO,12.33—13.75 kJ/mol和HTO,107.31—122.31 kJ/mol),表明轻质油更容易和氧气发生氧化反应。这表明,相比稠油油藏注空气,轻质油藏注空气技术更容易实现较好的驱油效果。     

乙烯焦油沥青的调制及其熔融纺丝

通过对乙烯焦油的热改性工艺进行研究,经过氧化交联和高温热缩聚两段工艺成功地合成出了一系列软化点不同的纺丝级沥青,并对其纺丝工艺进行研究,得到了细长、均匀的沥青原丝,其单丝长度远远大于目前国内文献记载,并结合试验对沥青调制、纺丝压力、温度、拉伸速率、喷丝孔孔径等影响因素进行了分析。     

用动态反射光度法研究PAN原丝表面的预氧化过程

用动态反射光度法在空气气象中测定了7种PAN原丝表面的预氧化反应随热解温度和时间的变化规律。实验结果表明,随着热解温度的提高,原丝的变色百分数也随着上升。在7种原丝中,经ZnCl_2处理过的自制丝的起始变色温度为最低,兰州丝的变色百分数为最小,吉林丝达到最大变色反应速率的时间为最长和变色反应增长速度为最高。并且,7种原兰的变色反应次序为:经ZnCl_2处理的自制丝>兰州丝>英国丝>未加处理的自制丝>经ZnCl_2处理的榆次丝>吉林丝>未加处理的榆次丝。