论文摘要
在全面综述多孔吸附材料研究情况的基础上,论述了制备非氧化物陶瓷多孔吸附纤维的意义和难点。提出利用先驱体法制备SiC多孔吸附纤维的思路,并以此为出发点,开展了SiC多孔吸附纤维制备的探索性研究,以期为非氧化物陶瓷多孔吸附纤维的研究和应用奠定基础。从聚碳硅烷（PCS）先驱体出发,利用先驱体纤维及其裂解纤维,通过多种活化方法,成功制备出了五种SiC多孔吸附纤维,比表面积最高可达990 m2/g。发现并系统研究了PCS不熔化纤维在裂解过程中的成孔现象和成因。实验发现PCS不熔化纤维在300-600℃热处理时,纤维中会形成大量微孔,得到一种半裂解多孔纤维（PF-SP纤维）,比表面积达400-600 m2/g。研究认为,纤维孔隙生成的原因,主要是PCS分子链端头的断裂,生成低分子逸出造成的,交联度的增加有利于纤维中孔隙的形成。利用SiC-C纤维（由PCS和沥青的共混纤维裂解制备的SiC纤维）,通过空气活化制备出一种SiC多孔吸附纤维（PF-D纤维）,纤维的中孔比例较高,比表面积达283 m2/g。虽然SiC-C纤维的富碳程度较高,但仍有较好的耐氧化性。若采用CO2作活化气氛,活化温度应高于裂解温度,且活化效果不理想。采用SiC-C纤维,通过KOH/N2活化的方法制备出一种SiC多孔吸附纤维（PF-C纤维）,纤维中的孔基本为微孔,表面积最高可达990 m2/g。PF-C纤维的碳含量较高（66wt%）,呈现“皮-芯”结构,皮层碳含量较高,芯部硅含量较高。采用SiC纤维（由PCS不熔化纤维裂解制备的SiC纤维）,通过KOH/CO2活化的方法制备出一种SiC多孔吸附纤维（PF-A纤维）,比表面积达680 m2/g,纤维含有微孔和中孔,中孔比例相对较高。PF-A纤维碳含量低于PF-C纤维,同样呈现“皮-芯”结构,皮层碳含量较高,芯部硅含量较高。研究认为,KOH活化使纤维出现“皮-芯”结构的原因,主要是由于KOH活化时,更倾向于对纤维中的含Si结构产生刻蚀的缘故。KOH可与纤维中的SiCxOy相反应生成可溶的硅酸盐,当KOH从纤维表面向内部渗入,纤维外层的含Si结构更多地与KOH反应,并形成更多孔隙,导致纤维外层的物理形质与内部产生明显的差别,从而形成了外层碳含量高、内层硅含量高的“皮-芯”结构,且活化程度越高,纤维碳含量越高。增加纤维的碳含量,可加剧KOH对纤维的刻蚀,使纤维更易被活化。ZnCl2可使PCS不熔化纤维在较低温度下可发生分解和无机化转变,并使裂解纤维的碳含量大幅降低,但会减小纤维中的孔隙结构。ZnCl2用量越大,纤维的碳含量越低,比表面积越小。控制ZnCl2用量,可制备出富Si的SiC纤维。通过对富Si的SiC纤维的HF二次活化,制备了一种SiC多孔吸附纤维（PF-B纤维）,纤维以微孔为主,比表面积达970m2/g。SiC纤维的富Si程度较高时,纤维内部会形成连续的SiO2相。通过HF刻蚀,可在纤维中形成大量的孔隙结构。采用沥青和PCS共混纤维,通过ZnCl2活化、高温热处理的方法,制备出了一种SiC多孔吸附纤维（PF-E纤维）,纤维以微孔为主,比表面积达305 m2/g。研究发现,加入沥青的先驱体纤维可通过ZnCl2活化,在无机化转变过程中形成大量孔隙（沥青含量越大,孔隙越多）,所得纤维经高温处理可得到PF-E纤维。PF-B和PF-E纤维结构均匀,没有出现“皮-芯”结构,碳含量明显低于PF-A和PF-C纤维。研究了本论文制备的部分多孔吸附纤维的H2吸附性能。发现较高的比表面积和丰富的微孔,有利于H2的吸附。如微孔比例较高的PF-SP纤维和PF-C纤维在-196℃、0.1MPa时的H2吸附量高于PF-A纤维,分别为0.69wt%和1.15wt%。由于具有较高的比表面积,PF-SP、PF-A和PF-C纤维的H2吸附性能明显高于SiC纳米管和碳纳米管。