干噴濕紡聚丙烯腈纖維結(jié)構(gòu)形成及其演變過程的研究.pdf

1、聚丙烯腈(PAN)原絲質(zhì)量是提高碳纖維性能的關(guān)鍵因素，針對(duì)干噴濕紡工藝中的各階段纖維結(jié)構(gòu)與性能展開系統(tǒng)性研究，全面了解PAN初生纖維結(jié)構(gòu)成形以及后續(xù)紡絲各階段的纖維結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變過程，對(duì)改善PAN原絲質(zhì)量和提高碳纖維拉伸強(qiáng)度具有實(shí)際指導(dǎo)優(yōu)化的作用。本文中我們采用了X射線衍射儀(XRD)、高分辨透射電鏡(HRTEM)、掃描電鏡(SEM)、差示掃描量熱法(DSC)、熱重分析(TG)等測(cè)試分析技術(shù)，對(duì)不同紡絲原液參數(shù)和凝固浴條件的初生纖維結(jié)構(gòu)與性能

2、，以及制備過程當(dāng)中PAN纖維的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變規(guī)律展開了系統(tǒng)性研究工作。
　　干噴濕紡初生纖維階段是PAN原絲結(jié)構(gòu)形成的最初以及最關(guān)鍵的制備過程。初生纖維結(jié)構(gòu)對(duì)原絲質(zhì)量有重要的影響。研究了凝固浴不同溫度、牽伸比以及不同黏均分子量、固含量對(duì)PAN初生纖維結(jié)構(gòu)和性能的影響。凝固浴溫度能夠影響初生絲條的雙擴(kuò)散過程，能夠影響初生纖維截面形狀;隨著牽伸倍數(shù)的提高，初生纖維結(jié)晶度、晶粒尺寸和沸水縮率逐漸增長，分子鏈緊密排列，微孔尺寸和數(shù)量降低，初生纖

3、維的纖度降低、拉伸強(qiáng)度增大、斷裂伸長率升高，同時(shí)其相應(yīng)的離散系數(shù)也變小;隨著黏均分子量和原液固含量的增加，紡絲原液中PAN分子鏈的纏結(jié)點(diǎn)密度增加，原液黏度升高，初生纖維纖度減小，拉伸強(qiáng)度升高。固含量較高的紡絲原液對(duì)干噴濕紡工藝制備優(yōu)質(zhì)初生纖維有利。
　　研究了干噴濕紡過程中各階段PAN纖維微觀結(jié)構(gòu)，以及結(jié)晶結(jié)構(gòu)對(duì)PAN原絲的力學(xué)性能和熱性能的影響。干噴濕紡制備的PAN纖維表面光滑、雜質(zhì)少、表面缺陷較少。在原絲制備過程中，PAN纖維

4、的晶粒尺寸升高、結(jié)晶度呈上升趨勢(shì)，結(jié)晶結(jié)構(gòu)隨之完善，其中，牽伸能夠提高結(jié)晶度，致密化和熱定型能夠增進(jìn)晶粒生長;隨著紡絲的進(jìn)行，PAN纖維纖度減小，致密性提高，拉伸強(qiáng)度升高，斷裂伸長率降低。原絲的晶體結(jié)構(gòu)對(duì)其力學(xué)性能和熱性能有重要的影響，結(jié)晶結(jié)構(gòu)越完善，對(duì)原絲的力學(xué)性能越有益，預(yù)氧化過程中的環(huán)化反應(yīng)越難發(fā)生，反應(yīng)的起始溫度趨于高溫，而且能夠預(yù)防PAN分子鏈熱分解。
　　利用HRTEM表征PAN纖維微觀結(jié)構(gòu)，利用環(huán)氧樹脂對(duì)紡絲各階段P

5、AN纖維進(jìn)行包埋，采用超薄切片技術(shù)，得到與纖維軸向相垂直的橫向切片和相平行的縱向切片，切片厚度為50-70nm，有利于電子束穿透纖維切片。其中，環(huán)氧樹脂只起固定纖維的作用，對(duì)圖像襯度沒有增強(qiáng)效果。初生纖維內(nèi)部組織是片層結(jié)構(gòu)，片層垂直于纖維軸向排列，片層之間的孔隙較多;在凝固浴預(yù)牽伸階段，開始出現(xiàn)微原纖結(jié)構(gòu)，微原纖平行于纖維軸向排列，在多級(jí)牽伸和致密化后，微原纖排列更為緊密，微原纖之間并不是平行排列，微原纖之間會(huì)有交錯(cuò)、纏繞，微原纖的直徑