酚醛纤维是一种以苯环为基本单元的三维交联结构，具有高的残炭率，优良的耐热性、突出的隔热性和阻燃性能。中空纤维的中空空腔内包裹有大量的静止空气，使纤维的隔热性能大大提高。如果把酚醛纤维中空化，制备出中空结构的盼醛纤维，其中空结构将使酚醛纤维本已十分突出的隔热性能进一步提高。酚醛纤维炭化后无定形的玻璃炭结构使其成为活性炭纤维的优良前驱体，中空化的酚醛纤维和实心的酚醛纤维具有相同的结构组成，将其炭化活化后也能制备出性能优良的活性炭纤维，这种中空结构的活性炭纤维在继承了酚醛基活性炭纤维优良性能的基础上，能进一步发挥其中空结构的优势，扩展材料的应用范围和领域。　　 本论文依据酚醛树脂熔融特性、固化前后在溶剂中溶解性能的差异、酚醛纤维固化过程的特点、以及异形喷丝板熔融纺制中空纤维的技术，采用两种方法制备酚醉基中空纤维。一是采用普通喷丝板熔融纺出实心原丝，然后将纤维的表层固化，再用溶剂把纤维未交联的芯部溶出，制备出带有中空空腔的酚醛纤维；二是使用异型喷丝板把酚醛树脂直接熔融纺制成中空原丝，再进行固化交联制备出中空结构的酚醛纤维。把制备出的中空酚醛纤维进行炭化活化，就得到中空结构的酚醛基活性炭纤维。本论文的主要实验内容和结论如下：　　 1、采用实心原丝的部分固化-溶剂溶出的方法制备酚醛基中空纤维，考察了半固化工艺参数和溶剂溶解对酚醛基中空纤维形貌结构的影响，分析了其成形机理，并考察了中空纤维的结构对其性能的影响。　　 (1)酚醛纤维的固化过程是从纤维表面向纤维芯部逐步递进的过程，改变固化条件可制备出表皮层变联芯部未固化的皮芯结构的酚醛纤维，溶剂溶出芯部后可得到中空结构的酚醛纤维；改变固化温度、固化时间可制备出不同交联层厚度的、不同中空度的中空酚醛纤维。中空酚醛纤维的表皮层的交联度和致密度随着固化液浓度的提高而增加；在相同的固化条件下，纤维的中空度随原丝直径的增加而增加。　　 (2)溶剂溶出芯部所需的时间随溶剂溶解性的提高而减少；纤维交联层厚度较薄时，芯部的溶解过程是由紧贴纤维交联层的外圈逐渐向里推进的，中空纤维的“芯“随溶解时间的增加而减小；纤维交联层较厚时，其溶解过程是由两端的芯部逐渐向内扩展。　　 (3)中空酚醛纤维的力学性能、热分解温度和残炭率随着中空度的增加而降低，其隔热性能随中空度的增加而提高。　　 2、采用异形喷丝板熔融纺丝的方法制备酚醛基中空纤维，考察了原料提纯对可纺性的影响、喷丝孔结构和溶纺工艺参数对纤维形貌的影响，以及纤维截面形貌对其性能的影响。　　 (1)经过蒸馏提纯后，树脂中的游离酚含量降低，平均分子量增加，可纺性大大提高。　　 (2)喷丝孔的孔形直接影响着膨胀区和拉伸区流体的形状，决定了中空酚醛纤维截面的形貌；喷丝板微孔区的圆弧狭缝宽度、圆弧缺口宽度和长径比的尺寸必须在合适的范围内才能制备出中空结构的酚醛纤维，过大或过小的尺寸只能形成实心或C形结构的酚醛纤维。　　 (3)温度作为影响熔体流变性和粘弹性的主要因素，对纤维的成形影响很大，小同的温度会得到不同截面形貌的酚醛纤维；牵仲速率和纺丝压力都影响熔体的供料量与牵伸速率的关系，同时压力也影响着熔体出口的膨胀压力，改变这两个参数都可得到不同截面形貌的酚醛纤维，但压力对截面形貌的影响更为敏感。　　 (4)纤维的直径是影响中空酚醛纤维性能的主要因素，其拉伸强度、热分解温度和残炭都随着直径的减小而增加；不同孔形的喷丝板纺出的不同截面形貌的中空纤维，它们的强度随着纤维中粘合缝隙的增加而降低，在直径相等的情况下，具有相同的热分解温度和残炭。　　 3、将不同的结构的中空酚醛纤维进行炭化，研究了炭化过程中中空酚醛纤维的结构演变和性能变化以及不同结构的酚醛基炭纤维之间的性能差别。　　 (1)炭化中的低温阶段，主要是酚醛分子的进一步脱水缩合，酚醛纤维的结构变化不大，仍为聚酚醛的交联结构；高温阶段，酚醛纤维发生剧烈的分解和缩聚，先是芳环间的连接键断裂分解，而后形成聚苯环结构的稠环芳烃，最后稠环芳烃进一步脱氢缩聚发育成六方晶系的碳结构。　　 (2)中空酚醛纤维在炭化过程中发生明显的收缩，重量和直径都随热处理温度的提高而减小，其减小的尺度与纤维发生分解缩聚反应的剧烈程度紧密相关；炭化后的酚醛基中空炭纤维，保持了原中空纤维的结构形貌，中空度略有缩小；炭化过程中，由于经历了缩聚分解等一系列反应，纤维的力学性能也随之发生相应的变化，拉强和断裂仲长在400-600℃之间纤维发生剧烈分解时出现最小值，断裂伸长在200℃纤维聚合交联度最高时出现最大值，拉强则在800℃的玻璃炭结构中达到最大值。　　 (3)酚醛基中空炭纤维的力学性能随着中空度和直径的增加而降低：原中空酚醛纤维的力学性能决定了炭化后酚醛基中空炭纤维的力学性能，三种截面形状的中空炭纤维的强度大小关系，与原中空酚醛纤维强度关系相同。　　 4、以炭化后的酚醛基中空炭纤维为原料进一步活化制备了中空结构的酚醛基活性碳纤维，考察了活化过程和中空度对中空活性碳纤维的比表面积和孔结构的影响，并对它们的电化学性能进行了初步的考查。　　 (1)酚醛基中宅活性碳纤维HACF60随活化时间的延长，比表面积、平均孔径和中孔率都随之增加；微孔面积和孔容随活化时间的延长先增加，达到最大值后又降低。不同中空度的HACF在相同的活化条件下具有相近的比表面积和孔径分布。　　 (2)随着比表面积的增加，HACF60质量比电容增加，面积比电容降低，IR降降低，大电流保持率增加；对于比表面积相近，中空度不同的HACF，由于具有相近的比表面积和孔径结构，也具有比较接近的质量比电容和面积比电容等电化学性能。