以竹焦油為原料制備COPNA樹脂及其應(yīng)用研究.pdf

1、COPNA樹脂即縮合多環(huán)多核芳烴樹脂,是一種具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的熱固性樹脂,該樹脂具有很好的耐熱性、耐摩擦性能以及炭材料親和性能。而竹焦油是竹子干餾加工時的一種副產(chǎn)物,由于它具有同瀝青焦油、煤焦油等相似的性質(zhì),因此它可以用來合成COPNA樹脂。
　　 本實驗首先通過紅外光譜、氣-質(zhì)譜聯(lián)用分析對竹焦油的組成進(jìn)行了表征,而后以竹焦油為原料,對苯二甲醇為交聯(lián)劑,對甲苯磺酸為催化劑,以β樹脂含量為評判標(biāo)準(zhǔn)來考察竹焦油合成COPNA樹脂的最

2、佳反應(yīng)條件。通過聚合前后紅外吸收光譜的考察以得出聚合反應(yīng)機(jī)理,然后通過對于B階COPNA樹脂以及采用不同固化溫度的C階COPNA樹脂的熱重分析得到合適的固化條件以及COPNA樹脂的耐熱性。以COPNA樹脂與短切炭纖維制備成復(fù)合材料,通過測試復(fù)合材料層間剪切強(qiáng)度、復(fù)合材料斷面SEM來評價COPNA樹脂與炭纖維的結(jié)合情況以及其力學(xué)性能。最后通過以COPNA樹脂為前軀體,利用Cu(NO3)2進(jìn)一步造孔處理,最后炭化利用其作為鋰電池負(fù)極材料來考

3、察COPNA樹脂作為功能材料的性質(zhì)。
　　 研究表明,竹焦油的主要成分為含氧的芳香族化合物,其主要以酚類及其衍生物為主,此外還含有雜原子取代芳香化合物以及少量的稠環(huán)芳烴,竹焦油的這一特點對其用來合成COPNA樹脂有利。以β樹脂含量為標(biāo)準(zhǔn),通過正交試驗得出合成B階COPNA樹脂的最佳條件為:竹焦油和交聯(lián)劑比為2:1,反應(yīng)催化劑比例為5％,反應(yīng)溫度為130℃,反應(yīng)時間為4h。GPC分析表明所合成的B階COPNA樹脂的數(shù)均分子量峰值在

4、1400左右,這符合B階樹脂的一般分子量范圍,聚合前后紅外光譜顯示合成COPNA樹脂的反應(yīng)機(jī)理是質(zhì)子酸作用下,竹焦油與交聯(lián)劑的脫水縮合反應(yīng)。
　　 B階COPNA樹脂以及經(jīng)由不同固化溫度得到的固化樹脂的熱重分析表明COPNA樹脂的最佳固化條件為:80℃經(jīng)歷2h,200℃經(jīng)歷2h。通過此條件得到的固化COPNA起始分解溫度達(dá)350℃,而且分解開始前質(zhì)量基本無變化。對比固化前后樹脂的紅外光譜可知,COPNA樹脂的固化過程是樹脂中殘留

5、的交聯(lián)劑在樹脂的芳環(huán)結(jié)構(gòu)上進(jìn)一步交聯(lián)的過程。
　　 以該COPNA樹脂為基體材料,與短切炭纖維制成復(fù)合材料,通過考察不同纖維含量,纖維未經(jīng)處理、纖維經(jīng)過混酸處理以及纖維經(jīng)過硝酸氧化處理后復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度可知,復(fù)合材料的層剪強(qiáng)度隨著纖維含量的增加而增大,在纖維含量為30％時得到最大值,其中纖維未經(jīng)處理的ILSS最大為17.1Mpa,纖維經(jīng)過濃硝酸氧化處理的ILSS最大為20.79Mpa,復(fù)合材料斷面SEM表明,經(jīng)過氧化處理后

6、COPNA樹脂與炭纖維的結(jié)合性能有了明顯提升。復(fù)合材料TG分析表明其熱分解溫度較高,且空氣恒溫測試表明其耐熱性能良好。
　　 以COPNA樹脂為前軀體,經(jīng)過Cu(NO3)2造孔處理以及炭化后形成的炭材料具有大量的孔道結(jié)構(gòu),其孔徑分布從0.1μm～1μm范圍,以這種材料為鋰電池負(fù)極材料,考察鋰電池的50mA/g電流密度下的循環(huán)性能發(fā)現(xiàn),其首次放電容量達(dá)可達(dá)686.1mA·h/g,經(jīng)過20個循環(huán)穩(wěn)定在291.5 mA·h/g,且循環(huán)