【摘 要】
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木质素是一种廉价的具有高碳含量的可再生资源,而聚丙烯腈（PAN）是一种具有良好可纺性和热稳定性的聚合物。本论文采用湿法纺丝工艺制备了木质素/PAN共混纤维,并对其结构和性能以及在开发低成本碳纤维中的应用进行了研究,希望利用木质素的成本优势和PAN的性能优势,制得具有较低成本和较高性能的碳纤维。本研究对实现木质素的高值化利用和碳纤维的可持续发展都具有重要意义。本文主要开展了以下研究工作:（1）木质素
【基金项目】
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国家重点研发计划项目（2016YFB0101702）；
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木质素是一种廉价的具有高碳含量的可再生资源,而聚丙烯腈（PAN）是一种具有良好可纺性和热稳定性的聚合物。本论文采用湿法纺丝工艺制备了木质素/PAN共混纤维,并对其结构和性能以及在开发低成本碳纤维中的应用进行了研究,希望利用木质素的成本优势和PAN的性能优势,制得具有较低成本和较高性能的碳纤维。本研究对实现木质素的高值化利用和碳纤维的可持续发展都具有重要意义。本文主要开展了以下研究工作:（1）木质素/PAN共混纤维制备与性能研究。研究木质素含量对木质素/PAN共混溶液粘度的影响,确定合适的共混木质素含量,建立木质素实际含量测试方法,研究木质素含量对木质素/PAN共混纤维结构和性能的影响。（2）木质素/PAN基碳纤维制备与结构性能研究。对所制备的碳纤维的力学性能、微观形貌和微观结构进行表征,研究热稳定化和碳化工艺条件以及木质素含量对碳纤维性能和结构的影响。（3）木质素/PAN共混纤维改性及制备碳纤维研究。使用盐酸胍（GH）和硼酸（BA）对木质素/PAN共混纤维进行化学改性,研究化学改性对纤维热性能和热稳定化以及碳纤维的微观形貌和力学性能的影响。本文取得主要研究结论如下:（1）采用紫外吸收光谱建立了测定该共混纤维中的木质素实际含量的方法,即:将不同木质素含量的共混溶液以DMSO为溶剂配制成一定浓度的溶液并进行紫外可见光谱分析,根据测得的吸光光度值与木质素浓度建立工作曲线。再将木质素/PAN共混纤维以同样的方法配制成相同浓度的稀溶液并测得纤维中的紫外吸光度,依据建立的工作曲线即可计算出木质素的实际含量。与红外光谱相比,该测试只需在避光条件下进行,对环境中的空气要求较低,可快速精确的测定木质素/PAN共混纤维中木质素的实际含量。（2）当木质素含量控制在35%及以下时,可以制得均匀稳定的木质素/PAN共混溶液和结构致密的连续木质素/PAN共混纤维。引入适量的木质素不会对共混纤维的基本物理和力学性能产生不利影响。木质素和PAN的协同作用赋予了该共混纤维良好的热稳定性。（3）使用木质素/PAN共混纤维制得的碳纤维具有圆形的截面和均匀致密的结构,无明显可见的孔洞缺陷。提高碳化温度和原丝取向度有利于提高碳纤维的拉伸模量。木质素的无定型网状分子结构更倾向于转化为无定形碳,最终在木质素/PAN基碳纤维内部形成了独特的均匀无序碳结构。（4）BA改性对共混纤维的热性能影响较小,而GH改性显著降低了放热起始温度、促进了环化反应的进行。在相同温度下由GH和BA共同改性的纤维热稳定化程度最高,所制得的碳纤维表面更为光滑,内部更为均匀致密。其拉伸强度较未改性制得的碳纤维有大幅提高。
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