聚丙烯腈纖維濕法紡絲成形過程中的結構性能變化.pdf

1、聚丙烯腈纖維是最主要的碳纖維用原絲，盡管國內碳纖維的產(chǎn)能迅速增長，但高端產(chǎn)品的品質與國外還有一定差距。因此，中國石化上海石化研究院立項開發(fā)以DMSO法制備T800碳纖維原絲的關鍵技術。為此，我們收集了市場上已有的國內外企業(yè)生產(chǎn)的聚丙烯腈原絲，明確滿足T800碳纖維原絲的結構和性能。在此基礎上，在中試線上進行濕法紡絲試驗，獲得沿紡程聚丙烯腈纖維樣品，分析其結構與性能的變化。找出試紡樣品與國外高品質樣品在結構和性能上的差異，為優(yōu)化工藝提供依

2、據(jù)。
　　首先，分析了不同企業(yè)制備的 PAN原絲的結構與性能的關系。通過多種纖維結構性能的測試方法，分別對纖維的力學性能、動態(tài)力學性能、氧化碳化性能、分子結構、形態(tài)結構、超分子結構和微觀結構進行了系統(tǒng)的表征。通過力學性能測試分析發(fā)現(xiàn)，A5原絲的斷裂伸長率、斷裂強度和初始模量等力學性能比其他四種 PAN原絲的要好，且直徑和纖度都較小；通過動態(tài)力學性能測試發(fā)現(xiàn)，A5原絲的玻璃化轉變溫度最高，為120.9℃，說明 A5原絲的結晶度高；通

3、過TG&DSC測試發(fā)現(xiàn)，A5原絲的環(huán)化反應放熱溫度最高，放熱峰最寬，且碳化殘留量遠低于其他三種 PAN原絲，為19.8％；通過紅外光譜分析發(fā)現(xiàn)，五種PAN原絲的組成成分基本相同；通過WAXD數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，A5原絲的結晶度和晶區(qū)取向度較高，且晶面的晶粒尺寸較大；通過SAXS數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，A5原絲中微孔長度較長，取向偏離角度較小，微孔半徑?。煌ㄟ^觀察SEM照片發(fā)現(xiàn)，A5原絲表面和截面都比較均勻、規(guī)整。結果表明：五種 PAN原絲的力學性能已達

4、到優(yōu)質原絲的性能要求，而A5原絲的力學性能更好，玻璃化轉變溫度更高，碳化殘留量更低。但從結構上看，A5原絲的結構要遠優(yōu)于與其他四種PAN原絲，因此，選取A5原絲作為計劃開發(fā)的T800聚丙烯腈基碳纖維原絲的導向目標。
　　然后，分析了沿紡程的聚丙烯腈纖維結構與性能的變化。在中國石化上海石化研究院的濕法紡絲線上，沿著紡程選取了五個階段的纖維作為樣品，分別為凝固浴絲、水洗絲、沸水牽伸絲、干燥致密化絲和原絲。同第一部分，采用了多種測試方法

5、對各階段的多級結構進行系統(tǒng)的表征。通過力學性能測試分析發(fā)現(xiàn)，直徑、纖度和斷裂伸長率都逐漸變小，而斷裂強度、初始模量都逐漸增大，經(jīng)過水洗后，纖維直徑迅速下降；通過觀察SEM照片發(fā)現(xiàn)，原絲表面存在明顯的溝槽結構，沿著紡程的進行，溝槽均勻性、平行度及取向度越來越好，同時也反映出纖維內部結構越來越完善，纖維截面存在微孔，沿著紡程的進行，微孔數(shù)量逐漸減少，且越來越小，纖維截面更加致密、平整；通過WAXD數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，纖維的結晶度、晶區(qū)取向度和晶面

6、的晶粒尺寸都呈上升趨勢；通過SAXS數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，沿著紡程的進行，纖維中微孔尺寸和微孔取向偏離度逐漸減小，而微孔沿纖維軸向長度逐漸增大，微孔尺寸在致密化前減小緩慢，致密化后迅速減小。結果表明：表面溝槽及截面孔洞等缺陷，主要形成于凝固浴工藝，嚴重影響原絲的性能，故必須改善凝固浴工藝，緩解這些缺陷；
　　經(jīng)過多級牽伸工藝，可以提高晶區(qū)堆砌的完整，也可促進纖維非晶結構向晶態(tài)結構轉變，故若想大幅度提高聚丙烯腈原絲的結晶度，提高纖維的性能，