熔紡PAN纖維預(yù)氧化和碳化過程中結(jié)構(gòu)和微缺陷的演變.pdf

1、聚丙烯腈(PAN)基碳纖維優(yōu)異的力學(xué)性能是由其結(jié)構(gòu)決定的，而碳纖維最終的結(jié)構(gòu)形態(tài)是在制備過程中逐漸形成的，與其制造工藝、原絲和預(yù)氧絲的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。因此，弄清 PAN纖維在預(yù)氧化和碳化過程中結(jié)構(gòu)的演變具有重要意義。本論文以熔融紡絲法制備的PAN纖維為研究對象，在對其結(jié)構(gòu)與性能分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開展了預(yù)氧化、碳化過程的研究。
　　首先采用單絲纖維強伸度儀、掃描電子顯微鏡（SEM）、X射線衍射（XRD）、聲速取向儀、差示掃描量熱法（

2、DSC）及傅里葉變換紅外光譜(FTIR)等多種測試方法對熔紡 PAN纖維的結(jié)構(gòu)及性能進(jìn)行了研究，并與三種濕紡原絲進(jìn)行了對比。研究結(jié)果表明：熔紡 PAN纖維的表面比較光滑，無溝槽等表面缺陷；截面為圓形，徑向結(jié)構(gòu)均一，無皮芯結(jié)構(gòu)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常致密，沒有明顯的細(xì)微空洞結(jié)構(gòu)等缺陷；結(jié)晶度為62.36％，斷裂強度為6.14cN/dtex；熔紡PAN纖維在制備過程中已經(jīng)發(fā)生了部分環(huán)化反應(yīng)，環(huán)化率為0.18；熔紡PAN纖維環(huán)化反應(yīng)期間放熱量少且放熱范

3、圍寬。PAN纖維的熱收縮率小在預(yù)氧化過程中不會產(chǎn)生很大的收縮，使預(yù)氧化纖維結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定。
　　其次，在空氣氛圍一定溫度梯度下針對熔紡 PAN纖維，采用紅外(FTIR)、X射線衍射（XRD）、差示掃描量熱法（DSC）、小角X散射(SAXS)、元素分析(EA)和體密度測試等多種研究方法，研究了在線張力和空氣流量對預(yù)氧化纖維結(jié)構(gòu)及性能的影響。當(dāng)施加一定的牽伸時，纖維的取向度和晶體尺寸均有降低，同時纖維的孔隙結(jié)構(gòu)也受到影響，孔洞體積和平均孔

4、徑均有一定程度的下降，從而影響了氧的擴散。所以當(dāng)牽伸超過一定程度后，由于預(yù)氧化不充分，未形成完善的氧化交聯(lián)結(jié)構(gòu)，在碳化過程中纖維結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重，導(dǎo)致纖維最終的力學(xué)性能下降。空氣流量對預(yù)氧化過程的影響比較復(fù)雜?？諝饬髁繉︻A(yù)氧化纖維的晶體結(jié)構(gòu)影響很小，適宜的氣流量能促進(jìn)環(huán)化反應(yīng)，在一定范圍內(nèi)，隨著氣流量的增大，預(yù)氧化纖維的氧含量和體密度增加，但氣流量與最終碳纖維的強度關(guān)系表明，氧含量與體密度并不是越高越利于碳化反應(yīng)。因此應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格控制預(yù)氧化工藝

5、條件，綜合考慮其對最終碳纖維性能的影響。
　　最后對預(yù)氧化纖維的低溫碳化過程進(jìn)行了研究。升溫速率過慢或過快均對剩余線性大分子的環(huán)化不利，升溫速率過慢，纖維失重大，不利于制取高強度碳纖維；過快則會使表面產(chǎn)生孔洞等缺陷。當(dāng)其值為15℃/min時低溫碳化充分且失重較小。隨著熱處理溫度的升高，纖維表面的雜質(zhì)減小，到800℃表面出現(xiàn)微小的孔洞，斷面變得越來越致密。由小角的測試結(jié)果表明微孔的尺寸變小，數(shù)量增多。隨著碳化溫度的升高，石墨化程度越