0 引言

     粘膠纖維是制備碳纖維的三大原料體系之一，與聚丙烯腈基和瀝青基碳纖維相比，粘膠基碳纖維具有微晶不發達、石墨化程度低（隔熱性好）、雜質含量少（耐燒蝕）、比重小（減重效果好）和斷裂伸長大（可編織性強）等優點，在航空航天等領域有著舉足輕重的作用。
      
       催化劑是制備粘膠基碳纖維的核心技術。通常將制備粘膠基碳纖維的催化劑分為無機和有機兩類，無機催化劑能提高碳化收率，但強度一般；而有機催化劑雖能提高碳纖維的強度，但收率較低。利用無機和有機催化劑各自的特點，將二者復合來制備粘膠基碳纖維是近些年來世界各國制備粘膠基碳纖維的新動向。

       人們對無機催化劑的催化機理研究較多，但未見關于有機硅對粘膠纖維制備碳纖維作用機理的報道。本文采用混合銨鹽與有機硅組成復合催化劑，利用熱質聯用（TG-MS）和掃描電鏡（SEM）等手段分析了該復合催化劑中有機硅對粘膠纖維熱裂解的作用機理，并將該復合催化劑浸漬粘膠原絲后進行連續碳化實驗，對碳化結果進行了力學性能的評價。

      1 實驗

      1.1 實驗原料

      粘膠原絲為湖北化纖集團有限公司生產的棉漿型粘膠強力絲，其主要性能指標列于表 1。無機銨鹽催化劑為市售商品，有機硅催化劑由本實驗室自己合成。

                  

      1.2 分析測定方法

      1.2.1 TG-MS 分析

       熱失重分析采用 SETRAM TGA92 型熱分析儀，Al2O3 坩堝，升溫速度為 5℃/min，溫度范圍為室溫至 600℃，氣氛為高純氬氣（99.999%），流量 35mL/min。質譜儀為 MS OmniStar 200 型，電子轟擊離子源 70 eV，不銹鋼毛細管可連續進樣，進樣壓力為 1.5×105 Pa，毛細管維持在 150℃。

      1.2.2 表面形貌觀察

      采用日本電子公司生產的 JEOL-35C 型掃描電鏡觀察粘膠纖維絲束的表面形貌。

      1.2.3 力學性能測定

      采用日本島津 AGS-J 萬能材料拉力機，根據中華人民共和國國家標準《碳纖維復絲力學性能的檢測方法》進行測試。

      1.3 實驗工藝路線

      粘膠纖維絲束首先經質量分數為 2%的有機硅的丙酮處理，然后再經質量分數為 20%的硫酸銨/氯化銨水溶液處理，干燥后在 200℃空氣氣氛下裂解 20 min，然后在氮氣氣氛下 700℃中溫碳化 20 min，1 300℃高溫碳化 1 min 后得到粘膠基碳纖維，工藝路線如圖 1 所示。

                   

      2 結果與討論

      2.1 復合催化劑中有機硅組分對粘膠纖維熱失重的影響

      圖 2 為處理和未處理粘膠纖維在氮氣氣氛下的熱失重曲線。從圖中可看出：未處理粘膠纖維（R）與用有機硅處理粘膠纖維（RO）的熱裂解曲線基本相同，均是在 280℃左右開始劇烈裂解反應，到 600℃時反應基本結束。硫酸銨/氯化銨純無機催化劑處理（RSC）和用硫酸銨/氯化銨/有機硅復合催化劑處理的粘膠纖維（RSCO）的熱裂解曲線也基本重合。與 R 和 RO 的熱裂解曲線相比，RSC 和 RSCO 的熱裂解反應變得緩和，反應的起始溫度提前到 180℃，而且纖維在 600℃時的殘重由 13%提高到 32%。通過對圖 2 的分析我們可得到結論：有機硅處理對粘膠纖維熱失重沒有影響，不能使粘膠纖維的裂解反應變得緩和，也不能提高裂解收率。

                      

      2.2 復合催化劑中有機硅組分對粘膠纖維熱裂解產物的影響

      粘膠纖維的裂解產物非常復雜，已經被定性檢測出的有二十多種，其裂解產物主要包含水和二氧化碳組成的不燃性物質、醛酮類物質、呋喃類物質、酚類物質和其他類物質。質譜是研究粘膠纖維熱裂解產物的重要手段。

       脫水反應、CO 和 CO2 的生成反應以及焦油的生成反應是粘膠纖維熱裂解過程中最為重要的幾個反應。由 Bacon 和 Tang 提出的經典的粘膠纖維在制備碳纖維過程中結構轉變機理可知，粘膠纖維在裂解過程中脫水越充分，CO 和 CO2 的生成量越大，焦油的生成量就越小，越有利于向所期望的亂層石墨結構轉化，所制備的粘膠基碳纖維的收率也越大。

       圖 3 是經不同催化劑處理的粘膠纖維熱裂解產物中 H2O、CO、CO2以及 m/z=68 和 96 的離子豐度圖，因為在焦油（主要成分為左旋葡萄糖）所產生的眾多碎片離子中，以 m/z=68 和 96 離子峰的強度最大，故以其代表焦油的豐度。從圖 3可看出：經硫酸銨/氯化銨處理（RSC）和硫酸銨/氯化銨/有機硅處理（RSCO）粘膠纖維的裂解產物與純粘膠纖維（R）相比，H2O、CO、CO2 的生成量均變大，而焦油的生成量明顯減少。從圖中還可看出，RSC 與 RSCO 的各離子峰的曲線基本重合，說明有機硅對粘膠纖維熱裂解產物中H2O、CO、CO2 的生成不起促進作用，也不能抑制焦油的生成。

                           

                           

                           

                           

                            

                 圖3粘膠纖維裂解產物中 H2O，CO，CO2，m/z=68 和 m/z=96 的豐度圖

      2.3 有機硅在粘膠基碳纖維制備中作用的探索

      人們對無機催化劑在粘膠纖維熱裂解反應中的催化作用機理研究相對比較深入，但有關有機催化劑作用機理的研究較少，也幾乎看不到有關于此的報道。筆者認為有機硅的作用可以從以下幾方面來考慮。

      2.3.1 提高催化劑浸漬效果

      圖4是相同浸漬條件下硫酸銨/氯化銨浸漬粘膠纖維和硫酸銨/氯化銨/有機硅浸漬粘膠纖維后纖維表面狀態的掃描電鏡照片。從圖 4 中可看出：純無機催化劑處理的纖維絲束的表面存在較嚴重的“并絲”現象，催化劑大量聚集在纖維的表面（見圖 4-a），而經復合催化劑處理的粘膠纖維的表面比較光滑，纖維的分散性很好，“并絲”現象得以避免（見圖 4-b）。

          

                              圖 4 粘膠纖維浸漬兩種不同催化劑后的 SEM 圖

       眾所周知，有機硅氧烷常作為一種織物整理劑來使用，它可降低絲束中單絲間的摩擦因數，增加纖維的分散性和柔軟性。我們所采用的有機硅由本實驗室自己合成，它是由氯硅烷通過水解和縮合反應得到的、一種含有較為豐富羥端基的有機硅氧烷預聚物，其羥端基含有較大的活性，在常溫下可與粘膠纖維分子中所富含的大量羥基形成分子間氫鍵，破壞原有的纖維素分子內氫鍵，使纖維素大分子處于敞開（溶漲）狀態，這樣就容易使無機銨鹽催化劑分子浸入到纖維芯部，從而提高了無機催化劑在纖維內外的分散均勻性，同時避免了無機催化劑只能負載于纖維表面而帶來的纖維“并絲”問題。

      2.3.2 增加粘膠纖維在中溫碳化過程中的可拉伸性

      在實驗過程中我們發現了一個有趣的現象，通常情況下，純無機催化劑（硫酸銨/氯化銨）處理的粘膠纖維在中溫碳化時所受到的拉伸張力不能太大，否則就會出現毛絲甚至整個絲束斷裂的現象，但在對復合催化劑（硫酸銨/氯化銨/有機硅）處理的粘膠纖維進行中溫碳化時，可對纖維施加超出通常情況的大張力，出乎意料的是纖維仍運行平穩，所得粘膠基碳纖維的力學性能也大大提高，具體數據列于表 2。從表 2 可看出：通過施加張力控制粘膠纖維的中溫碳化收縮在 2%，所得到的粘膠基碳纖維的抗拉強度可達到 1.5 GPa，遠高于目前國內通常的 0.8 GPa 的水平。

                     

      通過提高粘膠纖維在中溫碳化過程中的可拉伸性，進而施加大的張力來進行中溫碳化，由此得到了高性能的粘膠基碳纖維，這可以從 Bacon和 Tang 的經典理論得到解釋：四碳殘鏈是粘膠纖維向粘膠基碳纖維結構轉化中非常重要的一個中間產物，四碳殘鏈轉化為六碳圓環結構有橫向縮聚和縱向縮聚兩種，縱向縮聚得到的碳纖維的取向度和結構規整性好，力學性能也較好。橫向縮聚碳化后纖維的理論長度為原絲的 48%，而縱向縮聚碳化后纖維的理論長度為原絲的 83%，因此，要使纖維以縱向縮聚的歷程進行，提高碳纖維的強度，必須在中溫碳化階段就對纖維施加更大的縱向拉伸張力。

      實驗中所采用的有機硅的端基為—OH，它可以在較高溫度下與未進行脫水反應纖維素中的羥基發生反應，這樣纖維素大分子間可通過有機硅以“橋”的形式連接起來，從而提高了纖維的可拉伸性，最終可使碳纖維的力學性能提高。

      3 結論

     （1）硫酸銨/氯化銨/有機硅復合催化劑中，無機催化劑可使粘膠纖維的熱解反應變得緩和，提高熱解反應的收率，有機硅對此不起作用。

    （2）硫酸銨/氯化銨/有機硅復合催化劑中，無機催化劑可促進粘膠纖維熱裂解過程中 H2O、CO 和 CO2 的生成，并能抑制焦油的產生，而有機硅組分不具有這樣的作用。

    （3）有機硅可在浸漬過程中促進無機催化劑向粘膠纖維內部浸漬，同時還能使粘膠纖維大分子發生適度的交聯，提高可拉伸性，最終提高粘膠碳纖維的性能。