原絲改性對(duì)PAN預(yù)氧化纖維結(jié)構(gòu)和性能的影響.pdf

1、預(yù)氧化是聚丙烯腈(PAN)纖維轉(zhuǎn)變?yōu)楦咝阅芴祭w維的關(guān)鍵階段，伴隨著高放熱及復(fù)雜的化學(xué)和物理轉(zhuǎn)變過(guò)程，極易產(chǎn)生預(yù)氧化不均勻?qū)е碌钠ば窘Y(jié)構(gòu)，從而大大影響碳纖維的性能。傳統(tǒng)的預(yù)氧化工藝通常采取緩慢加熱的方式來(lái)抑制熱量的集中釋放，大量的時(shí)間和能量的消耗，使得碳纖維的成本居高不下，極大地抑制了其在民用等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。因此，在不影響纖維性能的前提下，縮短預(yù)氧化時(shí)間、降低成本，已成為碳纖維工業(yè)生產(chǎn)中亟待解決的問(wèn)題。
　　 本文針對(duì)上述問(wèn)題，

2、采用三種不同的原絲改性手段，即輻照改性、化學(xué)改性、輻照+化學(xué)改性相結(jié)合的方法對(duì)聚丙烯腈原絲進(jìn)行了處理，詳細(xì)研究了原絲改性對(duì)聚丙烯腈預(yù)氧化進(jìn)程和預(yù)氧絲性能的影響。
　　 首先采用新穎的輻照光源對(duì)聚丙烯腈原絲進(jìn)行了改性。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，輻照改性使得聚丙烯腈纖維發(fā)生了部分脫氫反應(yīng)，因此纖維經(jīng)改性后耐熱性提高，放熱峰向低溫移動(dòng)，放熱量大幅減少，熱失重速率較為平緩，碳收率高，這將減緩預(yù)氧化反應(yīng)的集中放熱，降低預(yù)氧化溫度，使生產(chǎn)更為順利可控，減少

3、能耗。另外，改性纖維結(jié)晶度降低，非晶區(qū)增大，氧元素含量提高，有利于預(yù)氧化過(guò)程的氧的擴(kuò)散，促進(jìn)反應(yīng)的發(fā)生。使用連續(xù)氧化碳化設(shè)備對(duì)PAN原絲進(jìn)行連續(xù)氧化碳化后發(fā)現(xiàn)，輻照改性使得預(yù)氧化時(shí)間減少為60min，縮短為原有工藝的二分之一，且最終形成的碳纖維強(qiáng)度也相對(duì)提高了23％。
　　 另外采用染色機(jī)對(duì)聚丙烯腈原絲進(jìn)行了高錳酸鉀化學(xué)改性。高錳酸鉀改性后，纖維內(nèi)部滲入的Mn7+離子與氰基上的碳原子形成絡(luò)合物，降低了分子鏈上氰基的相互作用力，減

4、少了環(huán)化反應(yīng)的放熱量，放熱也相對(duì)均勻。經(jīng)紅外和X射線衍射分析發(fā)現(xiàn)，改性纖維中有C=C結(jié)構(gòu)生成，表明高錳酸鉀可以催化環(huán)化反應(yīng)。此外，改性纖維的晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，結(jié)晶度有所降低，氧元素含量隨改性時(shí)間增加而增加。實(shí)踐證實(shí)，高錳酸鉀改性可以在一定程度上加快預(yù)氧化反應(yīng)速率，減少預(yù)氧化時(shí)間(75min～90min)，改性時(shí)間越長(zhǎng)，預(yù)氧化時(shí)間越短，而且X射線能譜檢測(cè)表明得到的預(yù)氧化纖維皮芯結(jié)構(gòu)不明顯，截面氧元素分布均勻，因此力學(xué)性能相對(duì)較高，其中經(jīng)5