碳纤维表面涂层改性及其在高温除尘中的应用

【摘要】高温含尘气体通常是先降温再除尘利用，浪费了大量的显热和潜热，高温下直接除尘将节省大量的能量。高温除尘的核心是耐高温的滤材。碳纤维具有耐高温、耐疲劳性好、耐腐蚀性好、高轴向强度、高模量、无蠕变及低密度等优点，在航天、航空等高科技领域中得到广泛应用，有望成为高温滤材，但高温有氧条件下碳纤维易氧化，因此开展碳纤维改性实验研究，以提高其耐高温氧化性能，具有十分重要的意义。本论文在对以提高抗高温氧化性能为目的的碳纤维表面涂层研究进行综述的基础上，采用静态等温氧化方法，考察了不同温度下PAN基碳纤维氧化情况，并采用溶胶—浸渍法制备碳纤维表面涂层，以提高碳纤维抗氧化性能，同时探讨了碳纤维的过滤性能。通过静态等温氧化考察了气氛环境、氧化温度、焙烧时间及氧含量对PAN基碳纤维失重率及表面形貌的影响。研究发现：在绝氧条件下碳纤维不失重；在含氧、温度大于300℃条件下碳纤维氧化分为三个阶段，在初始阶段和中间阶段，碳纤维质量与时间呈线性关系，最终阶段碳纤维失重率与剩余质量成正比，其中间阶段氧化失重速率最快。碳纤维表面形貌的变化规律为：氧化前表面光滑洁净，有轴向较浅的沟槽；轻度氧化后沟槽加深，并出现毛刺；继续氧化后碳纤维表面龟裂呈鱼鳞状剥落，并有贯穿裂纹产生；深度氧化后表面重现光滑，但不存在沟槽，纤维直径大幅度变小。采用溶胶—浸渍法在碳纤维表面制备了纳米涂层，首先考察了浸渍方式对涂层碳纤维的抗氧化性能的影响，结果表明：最优浸渍条件为超声震荡联合抽真空浸渍三次，最优原料比例为n(TBT)：n(H2O)：n(ETOH)=1:3:100；普通涂层较疏松，复合涂层能克服单一涂层疏松的缺陷。400℃氧化15h，普通二氧化钛涂层碳纤维失重率为8.01%，而复合涂层碳纤维为5.91%。以硫酸铜和氧化硼为烧结剂，制备了致密化涂层，克服了涂层疏松多孔的缺陷。硫酸铜和氧化硼最适宜含量分别为0.5%和15%，其氧化活化能较普通二氧化钛涂层碳纤维高28.86%、44.97%。XRD表征结果说明表面涂层成分均为锐钛矿型，没有其他衍射峰出现。TEM分析表明普通涂层、复合涂层和氧化硼涂层及硫酸铜涂层厚度分别为45nm、42nm、85nm、185nm。采用冷态除尘试验和高温除尘小试实验考察了碳纤维的过滤性能。发现碳纤维布具有较高的除尘效率和再生能力，除尘效率高达99.9%。在此基础上设计安装了一套中试实验装置，通过一系列调式中试装置已能顺利开车，布袋式除尘器进口温度为418℃，除尘效率为95%。
【作者】余海鹏；
【导师】胡永琪；
【作者基本信息】河北科技大学，化学工程与技术，2014，硕士
【关键词】PAN基碳纤维；高温除尘；抗氧化性能；TiO2；致密化涂层；

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