各向同性沥青改性的中间相沥青纤维预氧化研究

以各向同性沥青改性的中间相沥青为原料,经熔融纺丝、氧化及碳化处理得到沥青基碳纤维,重点研究了原丝的氧化行为.偏光显微镜研究表明,混合沥青为两相不相容共混物,中间相沥青为连续相,各向同性沥青为分散相.氧化过程中,沥青的脂肪氢和芳氢被脱除,主要生成羰基,醚键.随着氧化时间的延长,纤维中含氧量逐渐提高.当氧化时间较短时,纤维氧化不足,碳纤维芯部出现孔洞,微观组织呈现大片层结构.随着氧化程度逐渐提高,截面孔洞逐渐减小并最终消失,同时,碳纤维的强度显著提高;但是当原丝过度氧化时,碳纤维强度反而下降.

中间相和各向同性沥青基炭纤维的活化及其结果比较

研究了分别由中间相沥青和各向同性沥青为原料制备的两种活化纤维的结构与性能特征。通过低温N2气吸附等温线测定、扫描电镜（SEM）观察和X－射线衍射分析等方法，从微观结构上比较了两种沥青作为ACF制备原料的差异性。

空气氧化法制备通用级沥青炭纤维用各向同性沥青

以脱除QI的煤焦油软沥青(软化点59℃)为原料,在常压下300～380℃范围内通过空气氧化制备一定软化点范围的通用级沥青炭纤维用各向同性沥青。考察了空气氧化温度、时间、流量对煤焦油沥青性质和结构的影响。结果表明,空气氧化可有效提高煤焦油软化点,并获得各向同性沥青。采用核磁共振谱、红外光谱和元素分析考察了原料和氧化沥青的分子结构。在360℃空气氧化90～130 min条件下,得到的氧化沥青软化点在190～250℃之间,并表现出良好的可纺性,经熔纺得到10～20μm的沥青纤维。

各向同性纺丝沥青及其碳纤维的制备与应用研究进展

现代科技的发展对碳纤维提出了高性能和低成本的要求。与聚丙烯腈基和中间相沥青基碳纤维相比,各向同性沥青基碳纤维在生产成本上具备明显优势,但其力学性能相对较低。厘清各向同性沥青及其制备工艺、微观结构和力学性能之间的关联关系,大幅度提升其力学性能,是进一步拓展其工业应用的必由之路。首先系统评述了各向同性沥青的合成、纺丝、预氧化及碳化工艺,分析了工艺参数对碳纤维结构和力学性能的影响,指明了提升碳纤维力学性能的关键因素和控制策略。然后介绍了各向同性沥青基碳纤维主要的应用领域。最后提出了高性能各向同性沥青基碳纤维生产过程中面临的挑战以及今后的研究方向。

各向同性煤沥青制备炭/石墨纤维的研究

以各向同性煤沥青为原料,采用熔融纺丝工艺制备了直径为55μm的沥青纤维,经预氧化、炭化和石墨化处理后得到炭纤维和石墨纤维,并采用偏光显微镜、XRD和SEM等对其形貌、结构和性能进行表征。结果表明,炭/石墨纤维具有与沥青原料相似的各向同性光学结构;随热处理温度升高,炭/石墨纤维截面逐渐变粗糙,且内部石墨微晶逐步发育并长大,3 000℃下石墨化纤维微晶增大较明显,其堆积高度和平面尺寸分别约为5nm和11nm;1 600℃炭化纤维的力学性能较好,其拉伸强度和杨氏模量分别达到0.57GPa和32.19GPa,进一步提高热处理温度,纤维拉伸强度逐步降低,但是其杨氏模量逐渐增加,3 000℃石墨化纤维的拉伸强度和杨氏模量分别为0.26GPa和40.57GPa;炭/石墨纤维室温轴向电阻率随热处理温度的升高而降低,1 000℃炭化纤维室温轴向电阻率为47.78μΩ.m,3 000℃石墨化纤维室温轴向电阻率降至21.98μΩ.m。

沥青原料对沥青基碳纤维结构与性能的影响

以中间相萘沥青(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,在纺丝过程中无明显的择优取向,碳化过程石墨化程度低,故其所成的碳纤维无应力集中和开裂问题,但也正是这无定形结构,使其最终力学性能也较差。以上结果说明,原料的性质可以"遗传"到沥青基碳纤维中。因此,改变沥青原料的性质是改善沥青基碳纤维结构和性能的有效途径之一。

沥青组分对碳纤维径向结构影响的研究

采用混合各向同性、各向异性沥青的物理改性方法,得到混合沥青作为纺丝原料,经纺丝、不熔化、炭化得到不同径向结构的碳纤维。通过流变仪分析、SEM表征,研究沥青混合料的流变性及其对沥青碳纤维径向结构的影响,结果表明:在纺丝温度区间内,各向同性沥青的加入增加了沥青的黏度,使碳纤维径向辐射结构减弱;各向异性沥青的加入同样增加了沥青的黏度,但是并没有改变碳纤维辐射型径向结构。XRD结果表明:各向异性沥青微晶结构的有序性是造成碳纤维径向辐射结构的主要原因。

不同氧化程度的沥青纤维预氧化与炭化行为

以各向同性沥青纤维(IPPF)和中间相沥青纤维(MPPF)为对象,系统研究了它们在不同升温速率和不同预氧化温度下的预氧化过程。通过元素分析,FT-IR,TG-MS和SEM等手段对预氧化纤维(SFs)和炭纤维(CFs)进行了详细的分析表征,探究了沥青纤维的氧化程度对CFs的结构和力学性能的影响规律。结果表明,慢的升温速率有利于沥青纤维的氧化交联,所得到的CFs具有更高的炭化收率和拉伸强度。同时,IPPF和MPPF在270℃进行预氧化时,所制备对应的CFs具有最高的结构性能。另外,SFs的FT-IR图所计算的R1700/R1600值与其对应CFs的炭化收率和拉伸强度存在着良好的映射关系,可以作为一个评估沥青纤维的氧化程度的有效因子。除此之外,氧化不充足的纤维(I-SFs)在炭化过程中释放大量的H2和CH4,造成所得到的CFs出现空心结构,显示低的拉伸强度,尤其I-IPCF较为明显;过度氧化的纤维(E-SFs)则释放大量的CO和CO2,导致其对应的CFs呈现裂缝结构,特别是E-MPCF。因此,纤维预氧化和炭化行为的深入解析与优化对于提升沥青基炭纤维的性能具有重大的意义。

沥青基碳纤维

1定义沥青 基碳纤维是指以沥青等富含稠环芳烃的物质为原料，通过聚合、纺丝、不熔化、碳化处理制备的一类碳纤维，按其性能的差异又分为通用级沥青碳纤维和高性能沥青碳纤维，前者由各向同性沥青制备，又称各向同性沥青级碳纤维，后者由中间相沥青出发制备，故又称为中间相沥青级碳纤维。

沥青基碳纤维制备及应用研究进展

沥青基碳纤维由各向同性沥青或中间相沥青经熔融纺丝、预氧化、炭化及石墨化过程制备而成,因其优异的性能被广泛应用于军工和民用领域。本文阐述了沥青基碳纤维的主要性能和研究现状,介绍了通用级沥青基碳纤维和高性能沥青基碳纤维的制备方法,并综述了沥青基碳纤维的应用研究进展,指出高性能沥青基碳纤维制备技术的研发是我国碳材料领域的研究重点。

沥青基碳纤维的性能和用途

沥青基碳纤维具有高弹性模量、高热导率、低热膨胀率（尺寸稳定）等性能。 沥青基碳纤维按原料分为液晶性各向异性沥青和非液晶性各向同性沥青。以各向异性沥青为原料制得的碳纤维易石墨化，通过高温烧制，可取得高强度、高弹性模量的碳纤维长丝；而以各向同性沥青为原料制成的碳纤维难以石墨化，高温烧制后石墨结构不发达，碳纤维的强度及弹性模量低，主要制成短纤。

美公司研发成本3．3美元／kg的沥青基碳纤维原丝制备工艺

美国AdvancedCarbonProductsLLC公刊（ACP）发布消息称研发出创新的中间相沥青基碳纤维原丝连续制备工艺，将原丝的制备价格压缩到仅有约3_3美元／kg，并申请了专利。ACP公司总裁市场副总裁ChrisBoyer表示说，公司于2015年获得各向同性沥青的制备工艺专利，又因为各向同性沥青是中间相沥青的制备原料，进而于2016年年初获得中间相沥青的制备工艺专利。

FCC油浆富芳馏分的热解

利用族组成分析、FT IR、1H NMR 和13C NMR 考察了 FCC油浆及其经溶剂选择性多级萃取后得到的富芳馏分(FCCRF)的组成结构变化。结果表明, FCCRF 芳烃含量高, 胶质、沥青质和杂质含量少, 且芳环上取代基大多为甲基, 体系分子组成较为简单、均匀。FCCRF 热解的总趋势是: 分子中最不稳定的键断裂, 低分子产物以气体的形式逸出, 而留在液相中的多种自由基经缩聚、重排形成以苯环平面相互结合的缩聚体。通过调控热解程度, 可制得软化点为121℃、残炭为50%、相对分子质量为551的与美国 A240沥青性能相近的各向同性沥青。经1H NMR和13C NMR 分析, 得到由 FCCRF 热解制得的软化点为 121℃的各向同性沥青的平均分子结构参数, 该沥青的主要组分———甲苯可溶物的平均分子式可表示为 C45.33H32.21N0.23S0.19O0.32。

沥青基炭纤维的制备及应用研究进展

沥青基炭纤维是以沥青为原料制备的炭纤维,具有高模量、高导热、耐腐蚀、耐高温等优异性能,作为战略性新材料,在航空航天、军工和工业等领域应用广泛。本文介绍了通用级和高性能沥青基炭纤维的性能,阐述了沥青基炭纤维制备方法的研究进展,并综述了沥青基炭纤维的产业化发展情况和应用研究进展。