聚丙烯腈原絲紡絲工藝與性能相關性研究.pdf

1、高質量的聚丙烯腈(PAN)原絲是生產高性能聚丙烯腈基碳纖維的前提條件。研究PAN原絲的紡絲工藝與纖維性能和結構的關系，掌握紡絲工藝與原絲性能的相關性，對于改善和提高PAN基碳纖維原絲的性能有十分重要的意義。本文采用電子探針(EPMA)、透射電鏡(TEM)、掃描電鏡(SEM)、廣角X射線衍射儀(WAXD)和元素分析儀等測試手段和技術，系統(tǒng)地研究了聚丙烯腈原絲紡絲過程中各個主要工藝階段對纖維的結構和性能的影響，結合整個紡絲流程研究了纖維結構

2、和缺陷的演變過程。 纖維在凝固浴中的凝固過程是影響原絲結構和性能的重要過程。結構均勻的原絲有利于制備高性能的碳纖維，而初生纖維的結構均勻性(包括纖維的截面形狀和皮芯結構)是影響原絲結構的一個重要因素。研究了不同凝固浴濃度、溫度和噴絲頭牽伸率對初生纖維截面的影響，發(fā)現(xiàn)提高凝固浴的濃度和降低凝固浴的溫度，都會使擴散速度變慢，易形成圓形的截面。在一定的范圍內提高噴絲頭牽伸率，初生纖維的截面趨于圓形，還可以降低原絲的纖度，提高原絲的取向

3、度和強度，但過大的噴絲頭牽伸率反而會降低原絲的性能。 初生纖維的大分子結構缺乏定向排列，纖維的強度低，要制備高性能的碳纖維原絲，必須對纖維進行牽伸提高纖維的取向度。為提高牽伸的總倍數，牽伸過程分四段進行，需對牽伸倍數的分配進行優(yōu)化。二級凝固浴牽伸倍數在1.1～1.5之間，預牽伸倍數在1.3～1.6左右，但牽伸溫度必須在80℃以上，沸水牽伸的倍數可達到1.7，蒸汽牽伸的倍數可達到2.0～3.0。分析了各工藝階段纖維的應力一應變曲線

4、，發(fā)現(xiàn)一級凝固浴、二級凝固浴和三級凝固浴的纖維存在明顯的普彈形變、屈服點以及縮頸階段。從預牽伸開始，纖維的屈服點和縮頸階段開始變的不明顯直至消失。隨著牽伸的進行，纖維的強度提高，斷裂延伸率下降，從150﹪下降到10﹪左右，同時纖維的結晶度和晶粒尺寸增大。 凝固后的纖維中形成了一種網狀結構，經牽伸后，纖維中的小孔在取向方向被拉長。干燥致密化過程中脫除水，使纖維中的空隙產生負壓并收縮，從而使纖維致密化。在一定的范圍內增加致密化的時間

5、可以提高纖維的晶粒尺寸和結晶度，提高纖維的強度，降低其斷裂延伸率，降低纖維的內應力。致密化時間短，纖維的密度低，致密性差，強度低；致密化時間長，會使纖維發(fā)生化學結構的變化，還可能增加缺陷產生的幾率。在一定范圍內提高致密化溫度也可以提高纖維的致密性和機械性能，降低內應力。致密化溫度過低達不到致密化效果，溫度過高可能使纖維發(fā)生氧化，還會燙傷纖維表面。在140℃溫度下致密化64～80s可以得到綜合性能良好的纖維。在致密化過程中對纖維進行潤濕處

6、理可以降低纖維的晶粒尺寸，能夠提高原絲的強度。研究了纖維的沸水收縮率的變化，發(fā)現(xiàn)纖維的內應力與牽伸的倍數和溫度有關。研究了紡絲過程中各階段纖維的結晶行為，發(fā)現(xiàn)隨著紡絲工序的進行，纖維的結晶度和晶粒尺寸逐漸的增大，其中致密化和牽伸對結晶結構的完善作用影響最大。纖維中存在網狀結構和層狀結構，網狀結構是以纖維的晶區(qū)為結點的，可有效阻止裂紋的傳播，提高纖維的強度，層狀組織是由有序的晶區(qū)組成，其方向垂直于纖維的軸向。紡絲過程中，纖維表面存在大量的