摘要
本研究以木质素和杉木木粉为原材料，通过液化、熔融纺丝、固化等工艺，制备获得木质碳纤维原丝，并对原丝进行硼酸浸渍处理;原丝经碳化后制得硼酸改性木质碳纤维。研究探讨了碳化温度以及硼含量对木质碳纤维拉伸强度和模量的影响，并通过形态学观察、拉曼光谱、XPS等检测手段探究了硼改性对木质碳纤维力学性能的影响机理，分析了木质碳纤维微观构造与其力学性能的关系。研究的主要内容及结论如下: 1.木素基碳纤维(LCF)的拉伸强度和模量随着碳化温度的升高而升高，随硼酸浸渍溶液浓度的增加而增加。经过质量分数为11％的硼酸浸渍液改性处理，在900℃条件下碳化得到的LCF具有最好的力学性能，拉伸强度为513.67MPa，拉伸模量为68.72GPa。 2.木粉液化物碳纤维(WCF)的拉伸强度和模量随着碳化温度的升高而升高，随硼酸改性溶液浓度的提高先增加后减小，浓度为8％达到最大值。经过质量分数为8％的硼酸浸渍液改性处理，在900℃条件下碳化得到的WCF具有最好的力学性能，拉伸强度为468.39MPa，拉伸模量为58.64GPa。 3.木质碳纤维为非晶态的类石墨结构。拉曼光谱显示随着温度的升高以及硼酸溶液改性的作用，表征木质碳纤维微观构造无序化度的R值和反映结晶缺陷的D峰的衍射强度逐渐降低，而与完美碳晶格的震动模式相对应的G峰的衍射强度逐渐增加，表明碳化温度的增加以及硼酸溶液的改性有利于提高木质碳纤维类石墨结构的有序性。此外，晶体结构分析表明随着碳化温度的升高以及硼酸改性的影响，石墨层间距d002逐步减小，微晶尺寸Lc和La逐步增加，Lc与d002的比值在1～2范围内逐渐增加。 4.硼酸(H3BO3)受热分解为氧化硼(B2O3)，纤维表面残留过多的氧化硼在受热分解时会对纤维产生氧化刻蚀作用，造成纤维表层缺陷，进而降低碳纤维的力学性能。经过硼酸浸渍后，LCF的d002几乎未改变，但La从0.7616明显增大到1.0543;WCF经过硼酸浸渍改性后，d002从0.4524明显减小到0.4288。由此可得，硼以取代固溶的方式，优先取代具有高反应活性的不饱和无定形区碳原子，防止其逸出产生缺陷，促进了LCF微晶结构沿a轴的扩张和WCF微晶结构片层间距的减小，改善了木质碳纤维的微晶结构，从而提高了木质碳纤维的拉伸强度和模量。
NETL