交替电解法促进PAN基炭纤维的催化石墨化研究

论文摘要

炭纤维（CF）是以碳为主要元素,过渡态乱层石墨炭为主要结构,由有机纤维经高温炭化制备而成的一种多孔性纤维状材料。它是一种具有许多宝贵的电学、热学和力学性能的新型材料。炭纤维的高强度和高模量很大程度上依赖于它的石墨化程度,一般通过对炭纤维原丝进行高温热处理（HTT）对其原子重排和结构转变提供能量以增强其石墨化程度。对于一些难石墨化炭材料,如聚丙烯腈基（PAN）炭纤维则宜采取添加催化剂的方法降低热处理温度并且提高其石墨化程度,即进行催化石墨化。在催化石墨化过程中,催化剂的选择以及催化剂在炭纤维上的担载和分散是至关重要的。一般采用的催化剂添加方法包括机械混合法、浸渍法以及电镀法等,在这些方法中,催化剂主要担负在炭材料表面,其分散效果并不理想。本研究以PAN基炭纤维为研究对象,采用交替直流电解方法在较温和的条件下破坏了PAN基炭纤维的组织结构,同时实现催化剂在炭纤维上的有效负载,有效促进了PAN基炭纤维的催化石墨化。（1）以14g/L Na2SO4+50g/L H3BO3+20g/L C6H8O7·H2O（柠檬酸）的水溶液为电解液,对PAN基炭纤维进行交替直流电解处理后采用X射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）以及拉曼光谱对处理效果进行表征。结果发现:硼被成功负载和分散于炭纤维上,且PAN基炭纤维的无序化程度提高。交替直流电解处理过的PAN基炭纤维经2400℃高温处理1h后直径明显变小,表面变得粗糙。与未经交替电解处理或经浸硼处理的PAN基炭纤维相比,经交替电解处理的PAN基炭纤维的石墨化程度得到明显提高。（2）通过在磷酸和钼酸钠水溶液中交替直流电解,实现了磷—钼元素催化剂在PAN基炭纤维上的沉积和分散,并促进其石墨化,考察了热处理温度和电解液中钼酸钠浓度对PAN基炭纤维催化石墨化的影响。纤维的形貌,结构变化以及元素组成分别通过SEM、XRD、激光拉曼光谱和能量散射谱仪（EDS）进行表征。结果表明:通过交替直流电解处理,可以有效地破坏炭纤维的组织结构,并同步实现催化剂在炭纤维上的分散和沉积,促进了PAN基炭纤维的催化石墨化。交替直流电解处理过的炭纤维经2400℃热处理后,其石墨化度高达99%,Lc为380（?）。（3）采用磷钼酸作为催化剂,通过交替直流电解处理,将其担载到炭纤维上,从而促进PAN基炭纤维的石墨化。考察了热处理温度以及电解液中磷钼酸浓度对PAN基炭纤维催化石墨化的影响。催化剂的担载状况、纤维的形貌和结构变化等分别通过EDS、SEM和XRD进行分析和表征。结果表明:在磷钼酸和磷酸的水溶液中交替直流电解处理,可以有效地破坏PAN基炭纤维的组织结构,促进催化剂在PAN基炭纤维上的担载和分散,对PAN基炭纤维的石墨化起到了明显的促进作用,经2400℃热处理2h后,炭纤维的石墨化度提高至95.3%,Lc达到250（?）。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 插图索引
• 附表索引
• 第1章 绪论
• 1.1 炭纤维
• 1.1.1 炭纤维的发展概况
• 1.1.2 炭纤维的种类
• 1.1.3 炭纤维的结构
• 1.1.4 聚丙烯腈基炭纤维
• 1.2 炭纤维的石墨化
• 1.2.1 炭纤维的石墨化方法
• 1.2.2 炭纤维石墨化度的表征
• 1.3 课题选择及意义
• 第2章 硼酸溶液中交替电解对 PAN基炭纤维的催化石墨化作用研究
• 2.1 实验部分
• 2.1.1 实验试剂
• 2.1.2 实验仪器
• 2.1.3 实验过程
• 2.1.4 炭纤维表征
• 2.2 结果与讨论
• 2.2.1 PAN基炭纤维的 XRD研究
• 2.2.2 PAN基炭纤维的 SEM分析
• 2.2.3 PAN基炭纤维的 Raman光谱研究
• 2.3 小结
• 第3章 磷酸/钼酸纳溶液中交替电解对PAN基炭纤维的催化石墨化作用研究
• 3.1 实验部分
• 3.1.1 实验试剂
• 3.1.2 实验仪器
• 3.1.3 实验过程
• 3.1.4 炭纤维石墨化表征
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 PAN基炭纤维的 EDS分析
• 3.2.2 PAN基炭纤维的 XRD研究
• 3.2.3 PAN基炭纤维的 Raman研究
• 3.2.4 PAN基炭纤维的 SEM分析
• 3.2.5 PAN基炭纤维催化石墨化机理初探
• 3.3 小结
• 第4章 磷钼酸溶液中交替电解对 PAN基炭纤维的催化石墨化作用研究
• 4.1 实验部分
• 4.1.1 实验材料及试剂
• 4.1.2 实验仪器
• 4.1.3 实验过程
• 4.1.4 炭纤维的表征
• 4.2 结果与讨论
• 4.2.1 炭纤维表面形貌 SEM分析
• 4.2.2 炭纤维经交替直流电解处理后的 EDS分析
• 4.2.3 XRD研究
• 4.3 小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录