木材液化物碳纖維的制備、結構和性能

前言

　　碳纖維材料具有高拉伸強度、高拉伸模量、耐高溫、耐腐蝕、低熱膨脹、自潤滑和生體相容性好等特殊性能，是理想的耐燒蝕、結構和功能性復合材料組元，成為開發(fā)各種先進復合材料不可缺少的原料，已廣泛用于航天、航空、能源、交通、石油、化工、化肥、農藥、紡織機械、建筑材料、環(huán)境工程、電子工程、醫(yī)療器械、文體器材和勞動保護等領域。目前，世界碳纖維材料的原料主要依賴聚丙烯腈（PAN）和石油精制殘渣瀝青以及煤焦油。但是，隨著人們環(huán)保意識的增強以及化石資源的逐漸枯竭，碳纖維的供給與需求的日趨緊張。為緩解原料短缺而造成的碳纖維價格上漲，研究和發(fā)展利用可再生資源替代化石資源制備碳纖維意義重大?！　∧静馁Y源豐富且可再生，是天然高分子聚合物。自20世紀40年代以來，以日本、美國為主的發(fā)達國家就已開始研究利用木材組分作為制備碳纖維的原料，并且成功制備出木素基碳纖維和纖維素基碳纖維。但是由于木材的難溶性，利用木材組分制備碳纖維的前提需要將纖維素及木質素分離出來，這導致制備工藝復雜，生產成本高，分解過程對環(huán)境產生污染，資源浪費嚴重，而且碳纖維的得率和抗拉強度低，這些制約了木質碳纖維材料的發(fā)展。

內容概要

碳纖維是先進復合材料中最重要的增強材料，是進入21世紀的最具誘惑的纖維增強材料。隨著化石資源的日益短缺和環(huán)境的不斷惡化，研究碳纖維化石原料的可替代資源顯得非常重要。木材液化物作為化石資源的新型替代品而備受關注。經過國內外研究者近幾年的不懈努力，以木材液化物為原料的碳纖維材料取得了重大進展。本書在參閱大量國內外文獻和專利的基礎上，結合作者幾年來生物質碳纖維研究工作的成果，全面介紹和論述了木材液化物紡絲液、原絲及其碳纖維材料的制備工藝和方法、反應機理、微觀結構和性能，有助于開拓木材等生物質資源的綜合利用和深入開發(fā)研究。    本書適合從事木材科學、碳素纖維、林產化工、輕化工程、環(huán)境工程及生物質資源綜合利用等科研人員、工程技術人員、高校師生以及管理人員閱讀與參考。

作者簡介

　　馬曉軍，1975年12月生。1998年在西北林學院獲木材科學與工程專業(yè)學士學位；2001年在西北農林科技大學獲木材科學與技術碩士學位；2007年在北京林業(yè)大學獲木材科學與技術專業(yè)博-2學位。現任天津科技大學副教授，天津科技大學木材科學與工程系主任，中國林學會木材工業(yè)分會理事。主要從事木材物理、生物質復合材料的研究工作。曾參加“十一五”林業(yè)科技支撐計劃項目、國家自然科學基金、948引進技術項目、天津市自然科學基金等課題的研究工作。在美國Wood and Fiber Science、韓國Fibers and Polymers等國內外期刊上發(fā)表學術論文20余篇，其中被SCI、EI收錄6篇。申請國家發(fā)明號利5項。曾獲教育部主辦的“2006年全國博-2生學術論壇”優(yōu)秀論文三等獎2項，中國復合材料學會2007年主辦的“首屆全國青年復合材料學術論壇”優(yōu)秀論文一等獎1項?！　≮w廣杰，1953年2月生?，F任北京林業(yè)大學木材學教授，博士生導師，北京林業(yè)大學材料學院院長，北京林業(yè)大學木材科學與技術帶頭人，北京林業(yè)大學學術委員會委員，北京林業(yè)大學學位委員會委員。國務院學位委員會學科評議組成員，中國林學會木材工業(yè)學會副主任委員，中國林學會木材科學學會副理事長，中國復合材料學會理事，世界木材工程會議（World Conference on Timber Engineering）組織委員會委員，國家科技進步獎評審委員，國家林業(yè)局科技進步獎評審委員，國家自然科學基金評審委員?！　≈鞒滞瓿闪私逃俊⒘謽I(yè)部重點課題，“九五”、“十五”攻關、948引進技術項目、863計劃項目、國家自然科學基金課題等研究10余項。獲得國家教委科技進步二等獎1項，北京市科技進步二等獎1項。在德國Holzforechung、美國Wood and Fiber Science、日本《木材學會志》等國內外雜志上發(fā)表學術論文70余篇，被SCI、EI、CAB、IPST等收錄40余篇。出版專著1部。指導曹金珍博士論文《吸著解吸過程中木材與水分之間相互作用》入選2003年度全國百篇優(yōu)秀博士學位論文。獲得寶鋼優(yōu)秀教師獎1次，北京市優(yōu)秀教師獎1次，北京林業(yè)大學優(yōu)秀共產黨員稱號1次、教書三育人優(yōu)秀教師獎勵1次。

書籍目錄

前言第一章  緒論  第一節(jié)  碳纖維及其應用    一、引言    二、碳纖維的發(fā)展概況    三、碳纖維及其制品的應用  第二節(jié)  木質基人造絲碳纖維的研究現狀    一、木質基人造絲碳纖維的種類    二、木質基人造絲碳纖維的研究概況  第三節(jié)  木材液化物及制備碳纖維材料構想    一、木材液化及其產物    二、木材液化產物制備碳纖維材料的技術路線第二章  木材液化物碳纖維紡絲液的合成  第一節(jié)  緒言  第二節(jié)  紡絲液合成工藝及其對原絲性能的影響    一、紡絲液合成工藝    二、紡絲液合成因素對原絲性能的影響    三、木材液化物紡絲液的最佳合成工藝條件  第三節(jié)  木材液化物紡絲液的紅外光譜研究第三章  木材液化物碳纖維原絲的紡制及固化  第一節(jié)  緒言  第二節(jié)  紡絲、固化工藝因素對原絲性能的影響    一、收絲輥轉速對原絲性能的影響    二、固化液中鹽酸濃度對原絲性能的影響    三、固化時間對原絲性能的影響    四、固化升溫速率對原絲性能的影響  第三節(jié)  木材液化物碳纖維原絲的最佳制備工藝    一、正交試驗的因素水平及試驗方案設計    二、正交試驗結果分析    三、驗證試驗結果分析第四章  木材液化物碳纖維原絲的結構及熱力學性質  第一節(jié)  緒言  第二節(jié)  木材液化物碳纖維原絲的形態(tài)特征  第三節(jié)  木材液化物碳纖維原絲的結構研究    一、固化時間對木材液化物原絲結構的影響    二、木材液化物、紡絲液、原絲的結構研究  第四節(jié)  木材液化物碳纖維原絲的熱力學性質    一、木材液化物、紡絲液、原絲的TG圖譜    二、木材液化物原絲的Dsc圖譜    三、木材液化物原絲熱解反應動力學第五章  炭化工藝因素對木材液化物碳纖維性能的影響  第一節(jié)  緒言  第二節(jié)  炭化工藝因素對碳纖維性能的影、響    一、試驗方法    二、炭化溫度對碳纖維性能的影響    三、升溫速率對碳纖維性能的影響    四、炭化時間對碳纖維性能的影響    五、原絲及其碳纖維性能比較第六章  木材液化物碳纖維的微結構及表面性質  第一節(jié)  緒言  第二節(jié)  木材液化物碳纖維的形態(tài)特征  第三節(jié)  木材液化物碳纖維的XRD研究  第四節(jié)  木材液化物碳纖維的拉曼光譜研究    一、不同炭化溫度木材液化物碳纖維的拉曼光譜分析    二、不同苯酚／木材值碳纖維的拉曼光譜分析  第五節(jié)  木材液化物碳纖維的比表面積及孔隙分布    一、炭化溫度對碳纖維比表面積的影響    二、炭化溫度對碳纖維孔隙分布的影響    三、原料對碳纖維比表面積及孔徑的影響主要參考文獻

章節(jié)摘錄

　　第三章 木材液化物碳纖維原絲的紡制及固化　　第一節(jié) 緒言　　原絲的制備工藝參數對原絲的結構性能有著重要的影響，國內外對不同原料纖維的紡絲工藝作了大量的研究工作。Schmack等（2001）用由左旋乳酸（質量分數為92 9／6）和內消旋乳酸（質量分數為8 9／6）共聚得到的聚乳酸進行熔融高速紡絲，研究結果表明，這種共聚物纖維的結晶度較低，韌性好于純PL-LA纖維。Takasaki等（2003）對3種右旋乳酸含量不同的PLA即PLA-I。（1.5％）、PLA-M（8.1％）、PLA-H（16.4％）進行了高速紡絲，研究表明，初生纖維的雙折射率隨著右旋乳酸含量的增加而降低；在相同的紡絲速率下，右旋乳酸含量低的PLA-L初生纖維結晶度高于PLA_M初生纖維，而PLA-H初生纖維沒有晶區(qū)，呈無定形態(tài)；PLA-L初生纖維的力學性能最好，在紡絲速率為10 km.／min時，其模量和韌性分別為5.9 GPa和570 MPa。（2icero等（2002）將PLA（L：D＝96：4）進行過氧化處理得到支化產物后，對兩種不同分子結構的聚乳酸進行熔融紡絲，并對所得纖維的熱穩(wěn)定性、機械性能和形態(tài)等方面進行了對比研究。Mezghani和Spruiell（1999）在環(huán)境溫度為25℃的條件下進行了聚乳酸的高速紡絲，研究了紡絲速率（0～5000 m／min）對聚乳酸初生纖維的結晶度和力學性能的影響。研究結果表明，初生纖維結晶度隨紡絲速率線性增加并在3000 m／min時達到最大（43％），此時，力學性能也取得最佳值，楊氏模量為6GPa，拉伸強度為385 MPa，屈服強度為160 MPa。此后，隨著紡絲速率的繼續(xù)增大，初生纖維的結晶度和力學性能有所下降。Schmack等（1999，2004）也得到了類似的研究結果，研究發(fā)現，在紡絲速率為2000～3000m／rain時，初生纖維的力學性能最好，楊氏模量為4.2 GPa，斷裂強度為328MPa，斷裂伸長率較高，可達50％～60％?！　≡趪鴥龋瑥堺惸鹊龋?006）將聚醚砜（PES）樹脂進行熔融紡絲，制得PES纖維，對PES樹脂的可紡性、PES纖維的拉伸條件、力學性能、熱性能、阻燃性能進行了研究。結果表明，PES樹脂在熔融溫度380℃，卷繞速度300 m／min的條件下，可紡性較好；PES纖維適合在較低溫度和較低速度下拉伸，在30℃下低速拉伸，PES纖維可拉伸3倍，其強度可達2.30 cN／dtex。

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