石油渣油制备可纺中间相沥青的研究

论文摘要

中间相沥青（Mesophase pitch, MP）是石油渣油、煤焦油、纯芳烃化合物等在热处理（液相碳化）过程中,由于分子间发生断键、脱氢、缩聚等一系列化学反应,而逐步形成的向列型液晶相化合物。中间相沥青特有的取向排列芳香大分子片层结构使其具有优异的物理化学性能,是许多高性能碳材料的制备原料,被广泛应用于航空航天、国防军工、新能源、交通、土木建筑等领域。本文以石油渣油为原料,择优采用两种加压-真空热缩聚实验方案来制备中间相沥青,研究中间相沥青的结构、性能以及纺丝工艺条件；同时选取可纺性能良好的中间相沥青为原料,制备了中间相沥青基碳纤维和石墨纤维,并重点研究了纺丝条件和预氧化条件对中间相沥青碳纤维和石墨纤维力学性能的影响。本文的主要研究工作如下：1、以石油渣油为原料,采用直接加压-真空热缩聚法制备了软化点为272℃,中间相含量为95%,可纺性良好的中间相沥青MP-1。将石油渣油用甲苯进行溶剂处理后,再进行加压-真空热缩聚制备了不同中间相含量的一系列沥青（MP-2、MP-3和MP-4）。其中采用与MP-1相同的加压-真空热缩聚条件制备出的中间相沥青MP-2的中间相含量为90%,软化点为270℃,可纺性良好。MP-1和MP-2都可作为制备中间相沥青基碳纤维及石墨纤维的原料。2、对中间相沥青MP-1和MP-2进行红外光谱分析,发现两者的红外光谱图基本相同,两者的分子结构都是主要由带有甲基和亚甲基侧链结构的稠环芳烃构成。3、以中间相沥青MP-1和MP-2为原料,通过熔融纺丝,预氧化,碳化,石墨化处理制备了中间相沥青碳纤维和石墨纤维。研究了纺丝条件和预氧化条件对中间相沥青碳纤维和石墨纤维力学性能的影响,得出中间相沥青MP-1和MP-2的最佳纺丝条件和最佳预氧化条件,获得了最高力学性能为：抗拉强度2.20GPa,抗拉模量达158Gpa的MP-2碳纤维以及最高力学性能为：抗拉强度2.68GPa、抗拉模量496GPa的MP-2石墨纤维。4、采用红外光谱测试和X射线衍射分析法研究了中间相沥青制备碳纤维和石墨纤维的过程中其组成和结构的变化规律,发现随着预氧化、碳化（石墨化）处理的进行,中间相沥青的分子结构越来越规整；中间相沥青纤维的微晶的平均堆积厚度不断减小,石墨化度不断增加；预氧化处理对中间相沥青纤维的层间距影响不大,而碳化、石墨化处理则能使中间相沥青纤维的层间距显著减小。5、测试了以MP-1和MP-2制备的碳纤维和石墨纤维的电阻率,发现石墨化处理可以显著降低纤维的电阻率,提高纤维的导电性能,而MP-2碳纤维和石墨纤维的电阻率比MP-1碳纤维和石墨纤维的电阻率低,说明MP-2碳纤维和石墨纤维的导电性能较好,亦说明由溶剂处理-加压-真空热缩聚法制备的中间相沥青制备的碳纤维和石墨纤维的导电性能比由加压-真空热缩聚法制备的要好。

论文目录

• 学位论文数据集
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 本课题相关领域的研究概况
• 1.1.1 概念的阐述
• 1.1.2 本课题相关领域的研究历史及进展
• 1.2 中间相沥青的形成机理
• 1.2.1 中间相沥青形成机理的传统解释
• 1.2.2 形成中间相沥青的“微域构筑”机理
• 1.2.3 形成中间相沥青的“粒状基本单元构筑”机理
• 1.3 中间相沥青的制备
• 1.3.1 新中间相法
• 1.3.2 加氢改性法
• 1.3.3 催化改性法
• 1.3.4 其它制备方法
• 1.3.5 制备中间相沥青的影响因素
• 1.4 中间相沥青的结构与性质
• 1.4.1 中间相沥青的分子结构
• 1.4.2 中间相沥青的显微结构
• 1.4.3 中间相沥青的基本性质
• 1.5 中间相沥青的可纺性
• 1.6 中间相沥青的表征方法
• 1.6.1 元素分析法
• 1.6.2 热台偏光显微镜法
• 1.6.3 红外光谱分析
• 1.6.4 X射线衍射分析
• 1.6.5 核磁共振谱分析
• 1.7 中间相沥青的应用
• 1.7.1 中间相沥青基碳纤维
• 1.7.2 中间相沥青的其它用途
• 1.8 本论文的选题依据及研究意义
• 1.9 本论文的研究内容
• 第二章 石油渣油制备中间相沥青
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 原料及试剂
• 2.2.2 制备工艺及设备
• 2.2.3 中间相沥青的性能测试与结构表征
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 制备方案比较
• 2.3.2 加压-真空两步热缩聚法制备石油渣油基中间相沥青的研究
• 2.3.3 石油渣油在热缩聚前后的组成和结构的变化
• 2.4 小结
• 第三章 中间相沥青制备高性能沥青基碳纤维和石墨纤维的研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 原料
• 3.2.2 制备工艺及设备
• 3.2.3 性能测试与结构表征
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 纺丝工艺参数对中间相沥青纤维性能的影响
• 3.3.2 预氧化过程对中间相沥青基碳纤维结构与性能的影响
• 3.3.3 纺丝条件和预氧化条件对中间相沥青碳纤维和石墨纤维力学性能的影响
• 3.3.4 碳化过程对中间相沥青纤维性能的影响
• 3.3.5 石墨化处理对中间相沥青基碳纤维微观结构与力学性能的影响
• 3.4 中间相沥青制备碳纤维和石墨纤维的过程中其组成和结构的变化
• 3.5 中间相沥青基碳纤维和石墨纤维的导电性能
• 3.6 小结
• 第四章 总结论
• 参考文献
• 致谢
• 作者和导师简介
• 附件