紡絲過程中聚丙烯腈纖維結(jié)構(gòu)及其演變的研究.pdf

1、高質(zhì)量聚丙烯腈(PAN)原絲是制備高性能碳纖維的前提。深入研究紡絲過程中PAN纖維組織結(jié)構(gòu)的形成及演變，明確紡絲工藝與纖維結(jié)構(gòu)和性能之間的相關(guān)性，對改善紡絲工藝、制備高質(zhì)量原絲意義重大。本文針對實驗室PAN基碳纖維原絲生產(chǎn)線自制PAN纖維開展相關(guān)實驗，通過場發(fā)射掃描電鏡(SEM)、X射線衍射(XRD)、纖度測試及纖維強伸測試等測試分析技術(shù)，對纖維中原纖及微原纖結(jié)構(gòu)、晶態(tài)結(jié)構(gòu)、致密性及力學(xué)性能進行了研究，分析了濕紡、準(zhǔn)干噴濕紡以及干噴濕紡

2、工藝過程中PAN纖維結(jié)構(gòu)及性能的演變，并對比分析了三種紡絲工藝所得PAN纖維結(jié)構(gòu)及性能的差異。
　　通過觀察三種紡絲工藝各階段PAN纖維表面形貌結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn):濕紡纖維表面存在明顯的溝槽，隨著紡絲工藝的進行，溝槽均勻性、平行度及取向度得到改善，這反映出纖維內(nèi)部原纖結(jié)構(gòu)逐漸成長完善;準(zhǔn)干噴濕紡纖維表面也存在溝槽結(jié)構(gòu)，但相對濕紡纖維較淺;干噴濕紡纖維表面光滑無溝槽。
　　利用超聲刻蝕方法對干燥去溶劑處理后的PAN纖維進行原纖分離實驗，

3、結(jié)合前期研究者經(jīng)驗，通過實驗分別確定三種紡絲工藝系列PAN纖維超聲刻蝕最佳條件，并在掃描電鏡下觀察刻蝕后纖維的微觀結(jié)構(gòu)。結(jié)果顯示，三種紡絲工藝制備所得PAN纖維都存在皮芯結(jié)構(gòu)，其中干噴濕紡纖維相對不明顯，而濕紡纖維和準(zhǔn)干噴濕紡纖維皮層厚度均在200～300nm左右。纖維凝固成形時，內(nèi)部首先形成凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在牽伸力的作用下，PAN大分子發(fā)生相對滑移、分子鏈?zhǔn)嬲归_并取向排列，微原纖及原纖結(jié)構(gòu)逐漸形成并完善。濕紡纖維及準(zhǔn)干噴濕紡纖維原纖及微

4、原纖之間結(jié)合不夠緊密，通過超聲刻蝕原纖及微原纖結(jié)構(gòu)容易分離出來;而干噴濕紡纖維中，原纖及微原纖之間存在大量物理纏結(jié)點和化學(xué)交聯(lián)點，且微原纖貫穿于不同原纖之間，將原纖連結(jié)成網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu)，提高超聲刻蝕條件也難以分離出獨立的原纖結(jié)構(gòu)。三組系列纖維中，微原纖都是由片晶結(jié)構(gòu)構(gòu)成的，由超聲刻蝕后纖維的掃描圖可以清楚地看到濕紡纖維及準(zhǔn)干噴濕紡纖維微原纖的片層結(jié)構(gòu)形貌;但干噴濕紡纖維由于其原纖及微原纖之間結(jié)合緊密，難以通過超聲刻蝕將其片層結(jié)構(gòu)清晰地顯現(xiàn)

5、出來。
　　紡絲過程中PAN纖維結(jié)晶度和抗拉強度整體呈上升趨勢，而纖度和斷裂伸長率呈下降趨勢。但在熱定型工藝階段，由于在較高溫度下PAN纖維內(nèi)應(yīng)力消除、大分子鏈發(fā)生輕微的快速解取向，而且PAN自身結(jié)晶能力有限，上述四種參數(shù)變化規(guī)律略有不同。該階段纖維結(jié)晶度和抗拉強度增幅減小，濕紡和干噴濕紡系列纖維的結(jié)晶度甚至還出現(xiàn)了一定程度的減小，而纖維的斷裂伸長率和纖度基本不再發(fā)生變化。
　　對比三組系列纖維，干噴濕紡工藝制備所得PAN纖