PAN纖維直徑對預氧化工藝及碳纖維結構性能的關聯(lián)性研究.pdf

1、聚丙烯腈(PAN)纖維是現(xiàn)階段制備高性能碳纖維最主要的前驅(qū)體之一，原絲質(zhì)量是影響最終碳纖維性能的關鍵因素。目前國產(chǎn)PAN纖維的質(zhì)量有了很大的提高，PAN基碳纖維的性能與國外通用級產(chǎn)品相當，但是碳纖維產(chǎn)品性能的穩(wěn)定化還有待于提高。本文采用了X射線衍射分析儀(WAXD)、密度梯度柱和差示掃描量熱分析儀(DSC)等儀器對國產(chǎn)的五種不同直徑的12K PAN纖維進行結構和熱性能進行表征，對比分析直徑的差異對PAN纖維的微觀結構和活化能的影響。對P

2、AN纖維進行預氧化工藝探究，利用DSC、密度、紅外光譜分析(FTIR)、元素分析(EA)、WAXD、力學性能、掃描電鏡(SEM)、拉曼光譜(Raman)等表征手段對PAN預氧化纖維和碳纖維的結構和性能進行測試，研究了預氧化過程中PAN纖維的化學結構的演變規(guī)律，并探究了各階段預氧化溫度對碳纖維力學性能的影響;系統(tǒng)研究了預氧化中后期時間的變化對PAN纖維化學反應速率和預氧化程度的影響，以及對最終碳纖維結構性能的影響;對兩種不同直徑PAN纖維

3、在兩種預氧化工藝條件下分別進行預氧化碳化處理，研究了直徑的差異導致的預氧化過程中化學反應速率的不同、預氧化程度的差異、預氧化時間的依賴程度和對最終碳纖維結構性能的影響。
　　結果表明:直徑的差異對PAN纖維的結構性能有一定的影響，隨著直徑的減小，PAN纖維的微觀結構和反應活化能呈現(xiàn)一定的規(guī)律，結晶度逐漸增大、晶粒尺寸減小、體密度逐漸增加、化學反應的活化能逐步變大。直徑的減小可以提高PAN纖維分子鏈的規(guī)整度，微觀結構更加均質(zhì)化。相對

4、于較粗直徑的PAN纖維，直徑較細的PAN纖維由于其分子鏈規(guī)整度較高，化學反應活化能較高，所以需要在較高的預氧化起始溫度才可以引發(fā)環(huán)化反應，不同直徑的PAN纖維的預氧化終止溫度相差不大。
　　PAN纖維的預氧化過程可以分為兩個階段:環(huán)化反應階段和氧化反應階段。PAN纖維在220～250℃之間環(huán)化反應最劇烈，相對環(huán)化度增加較快;250℃以后環(huán)化反應趨勢變緩，PAN纖維主要發(fā)生氧化反應，氧元素參與官能團間的互變異構過程。預氧化起始溫度和

5、終止溫度對PAN纖維的化學反應程度和最終碳纖維的力學性能影響較大;預氧化中期的溫度變化對碳纖維的力學性能影響較小。預氧化中后期PAN纖維內(nèi)部環(huán)化反應速率變緩、芳構化反應加快，預氧化時間過長會導致PAN纖維過度預氧化，容易導致碳纖維結構缺陷，不利于碳纖維結構性能的提高。隨著預氧化時間的降低，碳纖維的d002減小，Lc和La尺寸增大，孔隙率也隨之降低，碳纖維的結構規(guī)整度和石墨化度較高。對于實驗所用PAN纖維，當預氧化中后期的時間控制在30m

6、in左右時，此時預氧化纖維的密度為1.3745g/cm3，氧元素含量為9.8％，經(jīng)過碳化處理后制得的碳纖維的體密度達到了1.7913g/cm3，碳纖維的拉伸強度達到了5.12GPa。
　　在相同的預氧化工藝條件下，相對于較粗直徑的PAN纖維，直徑較細的PAN纖維的環(huán)化反應速率更大，預氧化反應更加充分。降低PAN纖維直徑使其對應的碳纖維的微觀晶面間距小、晶面尺寸較大，碳網(wǎng)層面的規(guī)整度更高，石墨化程度也較高，碳纖維表面和內(nèi)部的孔洞等缺