劉建波 ， 陳 龍

(1.山西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 ， 山西 長(zhǎng)治 046000 ; 2.北京科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 ， 北京 100083)

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AR中間相瀝青紡絲性能研究

劉建波1， 陳 龍2

(1.山西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 ， 山西 長(zhǎng)治 046000 ; 2.北京科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 ， 北京 100083)

以AR中間相瀝青為原料，采用元素分析與紅外分析手段，研究了瀝青原料的結(jié)構(gòu)和組成，通過(guò)熱臺(tái)偏光顯微鏡觀察和分析其流動(dòng)特性。采用氮壓式單孔紡絲機(jī)進(jìn)行熔融紡絲，制備中間相瀝青纖維，研究了中間相瀝青的可紡性及紡絲工藝對(duì)于中間相瀝青纖維性能的影響。結(jié)果表明，在紡絲溫度350 ℃、紡絲壓力0.016 MPa與收絲速度220 m/min條件下紡絲得到性能優(yōu)良的瀝青纖維，紡絲連續(xù)性好，可連續(xù)紡絲約5 min。經(jīng)290 ℃不熔化處理和1 000 ℃碳化后，得到碳纖維拉伸強(qiáng)度1.45 GPa、彈性模量120 GPa。

中間相瀝青 ； 瀝青纖維 ； 可紡性

0 前言

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料

本次實(shí)驗(yàn)采用萘基AR中間相瀝青，其軟化點(diǎn)為251 ℃，中間相含量為100%。

1.2 熔融紡絲

采用氣壓式熔融紡絲裝置(自制)紡制(如圖1所示)中間相瀝青纖維。紡絲工藝：紡絲溫度340～360 ℃，紡絲壓力0.01～0. 022 MPa，收絲速度120～330 r/min。

圖1 中間相瀝青纖維紡絲裝置

1.3 瀝青纖維的不熔化和碳化處理

采用管式石英氧化爐(實(shí)驗(yàn)室自制)對(duì)中間相瀝青纖維進(jìn)行不熔化處理，利用空氣作為氧化介質(zhì)?？刂撇蝗刍瘻囟葹?90 ℃，升溫速度為2 ℃/min，恒溫15 min。利用管式碳化爐(北京電爐廠)對(duì)不熔化纖維在1 000 ℃氮?dú)獗Ｗo(hù)下進(jìn)行30 min碳化處理。以此得到中間相瀝青基碳纖維。

經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)各省市區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)機(jī)構(gòu)名稱(chēng)紛繁不一，有的稱(chēng)“標(biāo)準(zhǔn)化研究院（所）”或“標(biāo)準(zhǔn)研究院（所）”，有的稱(chēng)“標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院”，有的仍然與“質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督”緊密結(jié)合，而地市級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)化研究機(jī)構(gòu)的名稱(chēng)就更不盡一致了。過(guò)去，有研究人員認(rèn)為，標(biāo)準(zhǔn)研究機(jī)構(gòu)名稱(chēng)的不統(tǒng)一，不利于宣傳，也制約了自身的優(yōu)勢(shì)，認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)化研究機(jī)構(gòu)應(yīng)當(dāng)統(tǒng)一名稱(chēng)，統(tǒng)一宣傳，統(tǒng)一技術(shù)服務(wù)流程，甚至統(tǒng)一服務(wù)品牌[2]。然而，品牌這個(gè)概念本身就是為了使擁有者的產(chǎn)品或服務(wù)區(qū)別于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，并以此來(lái)提升競(jìng)爭(zhēng)力的。

1.4 性能測(cè)試與表征

中間相瀝青原料的元素組成采用德國(guó)Elementar公司EA1112全自動(dòng)元素分析儀進(jìn)行分析。

瀝青原料和瀝青纖維的官能團(tuán)歸屬采用美國(guó)Thermo Nicolet公司Nicolet 8700/Continuium型FT-IR分析儀進(jìn)行分析。

采用德國(guó)Leitz公司ARISTOME型熱臺(tái)偏光顯微鏡確定了瀝青原料的中間相含量，觀察瀝青原料在加熱過(guò)程中的結(jié)構(gòu)演變和流動(dòng)性。

采用重慶顯微光學(xué)儀器廠COIC(×250)光學(xué)顯微鏡測(cè)定纖維直徑，纖維直徑取40次數(shù)據(jù)的平均值。采用太倉(cāng)紡織儀器廠(YG2001)型纖維強(qiáng)力測(cè)試儀測(cè)定碳纖維在25 mm下的抗拉強(qiáng)度。碳纖維的抗拉強(qiáng)度取40次數(shù)據(jù)的平均值。

2 結(jié)果和討論

2.1 瀝青原料分析

2.1.1 瀝青原料元素分析

中間相瀝青的元素及組成如表1所示。

表1 中間相瀝青的元素及組成

由表1可以看出，AR中間相瀝青原料的元素組成，其含碳量極高，達(dá)到了93.54%，這主要是由于稠環(huán)芳烴等結(jié)構(gòu)的存在。除了三種C、H、N元素外，瀝青原料中還有含量約為1%的其它雜質(zhì)元素。

2.1.2 瀝青原料的紅外分析

AR中間相瀝青紅外光譜圖如圖2所示。

圖2 AR中間相瀝青紅外光譜圖

2.1.3 瀝青原料的偏光分析

不同溫度下，AR中間相瀝青形態(tài)變化如圖3所示。

通過(guò)分析圖3可知，210 ℃時(shí)瀝青原料只有少許斑點(diǎn)表現(xiàn)出偏關(guān)性質(zhì)。270 ℃時(shí)，瀝青開(kāi)始部分熔融，表現(xiàn)出明顯的流動(dòng)趨勢(shì)。300 ℃時(shí)，瀝青完全熔融，出現(xiàn)明顯的中間相，其含量為100%。溫度不斷升高，中間相的流動(dòng)性越明顯。350 ℃時(shí)可以清楚看到中間相呈條紋狀細(xì)纖維結(jié)構(gòu)，說(shuō)明此溫度下中間相瀝青的流動(dòng)性好，利于紡絲。瀝青紡絲過(guò)程中，瀝青原料均是流動(dòng)態(tài)下進(jìn)行的。所以，瀝青原料良好的流動(dòng)性是中間相瀝青纖維制備的基礎(chǔ)。當(dāng)繼續(xù)升溫到360 ℃時(shí)有氣泡產(chǎn)生，這是由于瀝青原料內(nèi)部一些小分子量化合物受熱分解所致。 所以說(shuō)中間相瀝青紡絲的溫度應(yīng)在350 ℃左右。

2.2 中間相瀝青纖維紡絲工藝

2.2.1 紡絲溫度影響

(a).210℃ (b).270℃ (c).300℃ (d).340℃ (e).350℃ (f).360℃

紡絲溫度對(duì)中間相瀝青纖維直徑的影響如圖4所示。

a.0.016 MPa,330 m/min b.0.016 MPa,220 m/min

由圖4可知，紡絲溫度不斷升高，瀝青纖維的直徑逐漸增大，這表面隨紡絲溫度的不斷升高，中間相瀝青黏度下降，流動(dòng)性增加，使得經(jīng)噴絲板而被擠出的膨化區(qū)物料量增加，最終使得經(jīng)固化牽伸得到的瀝青纖維的直徑也隨之增大。

2.2.2 紡絲壓力影響

紡絲壓力對(duì)纖維直徑的影響如圖5所示。

a:350 ℃,220 r/min b:350 ℃,330 r/min

由圖5可知，隨著紡絲壓力的不斷升高，瀝青纖維直徑逐漸增大，這表明隨紡絲壓力的不斷升高，使得經(jīng)噴絲板而被擠出的膨化區(qū)物料量增加，最終使得經(jīng)固化牽伸得到的瀝青纖維直徑也隨之增大。

2.2.3 紡絲速度影響

紡絲速度對(duì)纖維直徑的影響如圖6所示。

a:345 ℃,0.016 MPa b:350 ℃,0.016 MPa

由圖6可見(jiàn)，隨牽伸速度的升高，瀝青纖維的直徑不斷減小。中間相瀝青是一種熱敏性敏感材料，對(duì)溫度的敏感程度遠(yuǎn)超一般的高分子材料，中間相瀝青經(jīng)噴絲板噴出后迅速固化成型為瀝青纖維，瀝青固化的拉伸區(qū)非常短(圖1所示)[1]。瀝青纖維在固化過(guò)程中，表皮固化充分而芯部未完全固化，瀝青纖維在牽伸過(guò)程中，從芯部到表皮的速度梯度會(huì)越來(lái)越明顯，有利于形成洋蔥結(jié)構(gòu)的細(xì)徑瀝青纖維。

3 結(jié)論

日本AR中間相瀝青原料，其元素組成為：C 93.54%，H 5.07%，N<0.3%，主要結(jié)構(gòu)包括甲基、亞甲基、芳香環(huán)與稠環(huán)芳烴，其中間相含量100%；350 ℃時(shí)瀝青原料的中間相呈條紋狀細(xì)纖維結(jié)構(gòu)，此時(shí)流動(dòng)性好，有利于紡絲；在紡絲溫度350 ℃、紡絲壓力0.016 MPa與收絲速度為220 m/min條件下紡絲能夠得到優(yōu)良的瀝青纖維，紡絲連續(xù)性好，連續(xù)紡絲約5 min；瀝青纖維經(jīng)過(guò)290 ℃不熔化處理和1 000 ℃碳化后，得到碳纖維拉伸強(qiáng)度1.45 GPa、彈性模量120 GPa。

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Study on Spinning Performance of AR Mesophase Pitch

LIU Jianbo1, CHEN Long2

(1.Shanxi Institute of Mechanical & Electrical Engineering , Changzhi 046000 , China ; 2.School of Materials Science and Engineering , University of Science and Technology Beijing , Beijing 100083 , China)

Using AR mesophase pitch as material,the structure and composition of mesophase pitch are researched by elemental analysis and FTIR,the flow characteristics is observed and analysed by the polarized light microscopy.Mesophase pitch fiber is obtained through melt-spinning from mesophase pitch,the influence of the spinnability of mesophase pitch and spinning process for mesophase pitch fiber is stuied.The results show that pitch fiber with excellent properties are obtained at the temperature of 350 ℃,the pressure of 0.016 MPa and winding speed of 220 m/min.In the spinning process,continuous spinning is about 5 min.Tensile strength of carbon fiber is up to 1.45 GPa and modulus is up to 120 GPa at the oxidization of 290 ℃ and carbonization of 1 000 ℃.

mesophase pitch ; pitch fiber ; spinnability

2016-08-21

劉建波(1987-)，男，碩士，從事材料方向的研究工作，電話(huà)：15735562099。

TQ522.65

A

1003-3467(2016)11-0026-04