氧化石墨烯/石油沥青共炭化行为研究

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作为一种廉价的原料,石油沥青是炭材料的优质前驱体,但炭化后制备的炭材料存在残炭率低、机械强度和力学性能较差的问题。石墨烯(GH)是一种理想的增强材料,同时具有优异的导热性和导电性,但在基体中难以均匀分散是一个较大的问题,而氧化石墨烯(G0)的分散性较好,经高温可还原为石墨烯。因此,为改善石墨烯在石油沥青中的分散性,提高炭化产物的性能,本文采用液相分散法将氧化石墨烯分散在石油沥青基体中,进行共炭化处理,并对共炭化产物的形貌、结构及性能进行研究。  首先采用密闭氧化法制备氧化石墨烯,并以氧化石墨烯为共炭化剂,使其均匀分散在90#A石油沥青的N,~二甲基甲酰胺溶液中,氧化石墨烯的添加比例分别为0%、0.015%、0.03%、0.045%、0.06%、0.075%、0.09%、0?丨05%,在420℃热处理条件下对石油沥靑热处理,再进行炭化。利用透射电镜、原子力显微镜、傅里叶红外光谱仪、拉曼光谱分析、偏光显微镜、X射线衍射仪、扫描电镜、热重分析仪、万能试验机等对氧化石墨烯的形貌、共炭化前后材料的组成、焦化产物的微观形貌和结构、添加氧化石墨烯前后石油沥靑的热解行为、炭化产物的力学性能进行表征和分析。结果表明:密闭氧化法制备的氧化石墨烯片层为5层左右;共炭化过程中,改性石油沥青脱除大部分官能团;氧化石墨烯对炭质中间相的形成起到成核和抑制生长的作用,使得焦化产物的光学各向异性单元尺寸变小;随着氧化石墨烯添加量的增加,焦化产物的微晶层间距先减小后增大,平均微晶髙度先增大后减小;添加氧化石墨烯后的石油沥青开始产生较大失重温度提高,热失重率变小,其耐热性能变好:添加适量氧化石墨烯,炭材料的力学性能提高,当石墨烯添加量为0.03%,炭材料的弯曲强度达到81.5MPa,提髙了80.5%。  通过氧化石墨烯改性石油沥青的共炭化研宄,发现改性石油沥青首先经聚合形成炭质中间相,而氧化石墨烯可作为形核剂,通过非均相成核参与了石油沥育的聚合过程,提高了氧化石墨烯与基体的结合强度。在随后的髙温炭化过程中,炭质中间相脱氢、脱杂原子,氧化石墨烯脱除含氧官能团得到石墨烯,最终形成石墨烯增强的炭化产物,这也表明液相分散法不仅改善了氧化石墨烯在石油沥青基体中的分散性,同时也改善了石墨烯片层在最终炭化产物中的分散性。
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