預(yù)氧化溫度對PAN纖維結(jié)構(gòu)與性能的影響.pdf

1、近年來國內(nèi)1K、3K碳纖維的生產(chǎn)與研究有了長足的進(jìn)步，基本滿足了國內(nèi)急需用途，令人鼓舞。但從國內(nèi)外看，12K碳纖維的市場占有率與應(yīng)用在90％以上，因此下一階段的目標(biāo)之一是擴(kuò)大碳纖維市場的基本需求。然而，目前國內(nèi)12k炭纖維的制備技術(shù)還有待完善，這反映在無論使用性能還是力學(xué)性能與國外通用級產(chǎn)品都還有相當(dāng)距離，尚處于研發(fā)階段。在研究方面，國內(nèi)研究機(jī)構(gòu)全部或基本上都未開展12K碳纖維的針對性基礎(chǔ)與工程研究，系統(tǒng)性研究更談不上。因此，填補(bǔ)12K

2、碳纖維的基礎(chǔ)性與相關(guān)研究就顯得尤為重要。
　　 為了進(jìn)一步提高國產(chǎn)12k PAN纖維的質(zhì)量，本文利用FT-IR、DCS、TG、密度、EDS、XRD和力學(xué)性能等多種測試手段，對具有相同NaSCN濕法紡制路線的國內(nèi)外纖維(國內(nèi)石化廠家生產(chǎn)的12kPAN纖維、英國Courtaulds公司生產(chǎn)的12k PAN纖維、日本旭化成12k PAN纖維)的結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行了對比分析和討論。對三種PAN纖維進(jìn)行變預(yù)氧化工藝條件實(shí)驗(yàn)，展開對國產(chǎn)12k

3、PAN碳纖維制備工藝的初步研究。借助紅外光譜(FT-IR)、元素分析(EA)、X射線衍射(XRD)、X射線能譜儀(EDS)、力學(xué)性能、皮芯結(jié)構(gòu)形貌照片、掃描電鏡(SEM)等測試手段，采用對比方法研究了預(yù)氧化溫度和預(yù)氧化牽伸比等工藝條件對預(yù)氧化纖維和炭纖維的結(jié)構(gòu)與性能的影響。重點(diǎn)探討了預(yù)氧化過程中，氧元素的擴(kuò)散機(jī)理及其對預(yù)氧化纖維皮芯結(jié)構(gòu)形成的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。
　　 結(jié)果表明：通過對比，三種PAN纖維的結(jié)構(gòu)與性能有所差異，國產(chǎn)PAN纖維

4、的密度、拉伸強(qiáng)度均比國外PAN纖維小，綜合放熱性能和紅外分析可以反映出，國產(chǎn)PAN纖維的組分和組成很接近考特爾PAN纖維，需要改進(jìn)的是紡絲工藝。通過預(yù)氧化工藝參數(shù)的優(yōu)化篩選，由三種12K PAN纖維制備的碳纖維最高拉伸強(qiáng)度分別為3.53GPa、3.65GPa、3.69GPa。
　　 通過對國內(nèi)外三種12K PAN纖維制備碳纖維過程的對比研究可以看出，國內(nèi)外12K PAN纖維在形成炭纖維過程中密度、直徑和力學(xué)性能以及化學(xué)與聚集態(tài)結(jié)

5、構(gòu)的變化趨勢基本保持一致，可以推斷預(yù)氧化過程中三種纖維結(jié)構(gòu)變化的差異性不大。
　　 通過對氧元素?cái)U(kuò)散機(jī)理的研究表明：1.氧化反應(yīng)的發(fā)生和氧元素在纖維截面的不均勻分布是形成“可視”皮芯結(jié)構(gòu)的主要原因之一；2.氧使得環(huán)化反應(yīng)提前進(jìn)行，氧元素以C-O C=O的形式結(jié)合在環(huán)化結(jié)構(gòu)上，環(huán)化結(jié)構(gòu)的形成促進(jìn)了氧化反應(yīng)的進(jìn)行；3.采用EDS表征方法可以量化表征氧在預(yù)氧化纖維不同區(qū)域的結(jié)合速率，彌補(bǔ)了以往只用預(yù)氧化纖維平均含氧量來研究氧元素結(jié)合速

6、率的缺點(diǎn)，4.預(yù)氧化纖維中不同區(qū)域的氧元素的結(jié)合速率可以方便地掌握皮芯結(jié)構(gòu)的演變；5.不同預(yù)氧化溫度下，氣氛中的氧氣濃度對氧結(jié)合速率有一定影響，通過調(diào)節(jié)不同預(yù)氧化溫度下的氧氣濃度可以控制預(yù)氧化纖維的氧含量和減輕纖維皮芯結(jié)構(gòu)的形成。
　　 本文建立了一種新型的評價(jià)皮芯結(jié)構(gòu)的方法，即皮芯氧含量差值比。該表征方法可對不同階段的預(yù)氧化纖維的皮芯結(jié)構(gòu)進(jìn)行量化表征。該皮芯氧含量差值比參數(shù)定義為F=[(A-B)/A]×100％，式中：A-纖維