熔紡PAN纖維預氧化和碳化過程中結構和微缺陷的演變.pdf

1、聚丙烯腈(PAN)基碳纖維優(yōu)異的力學性能是由其結構決定的，而碳纖維最終的結構形態(tài)是在制備過程中逐漸形成的，與其制造工藝、原絲和預氧絲的結構密切相關。因此，弄清 PAN纖維在預氧化和碳化過程中結構的演變具有重要意義。本論文以熔融紡絲法制備的PAN纖維為研究對象，在對其結構與性能分析的基礎上，進一步開展了預氧化、碳化過程的研究。
　　首先采用單絲纖維強伸度儀、掃描電子顯微鏡（SEM）、X射線衍射（XRD）、聲速取向儀、差示掃描量熱法（

2、DSC）及傅里葉變換紅外光譜(FTIR)等多種測試方法對熔紡 PAN纖維的結構及性能進行了研究，并與三種濕紡原絲進行了對比。研究結果表明：熔紡 PAN纖維的表面比較光滑，無溝槽等表面缺陷；截面為圓形，徑向結構均一，無皮芯結構，內部結構非常致密，沒有明顯的細微空洞結構等缺陷；結晶度為62.36％，斷裂強度為6.14cN/dtex；熔紡PAN纖維在制備過程中已經發(fā)生了部分環(huán)化反應，環(huán)化率為0.18；熔紡PAN纖維環(huán)化反應期間放熱量少且放熱范

3、圍寬。PAN纖維的熱收縮率小在預氧化過程中不會產生很大的收縮，使預氧化纖維結構更穩(wěn)定。
　　其次，在空氣氛圍一定溫度梯度下針對熔紡 PAN纖維，采用紅外(FTIR)、X射線衍射（XRD）、差示掃描量熱法（DSC）、小角X散射(SAXS)、元素分析(EA)和體密度測試等多種研究方法，研究了在線張力和空氣流量對預氧化纖維結構及性能的影響。當施加一定的牽伸時，纖維的取向度和晶體尺寸均有降低，同時纖維的孔隙結構也受到影響，孔洞體積和平均孔

4、徑均有一定程度的下降，從而影響了氧的擴散。所以當牽伸超過一定程度后，由于預氧化不充分，未形成完善的氧化交聯(lián)結構，在碳化過程中纖維結構破壞嚴重，導致纖維最終的力學性能下降?？諝饬髁繉︻A氧化過程的影響比較復雜。空氣流量對預氧化纖維的晶體結構影響很小，適宜的氣流量能促進環(huán)化反應，在一定范圍內，隨著氣流量的增大，預氧化纖維的氧含量和體密度增加，但氣流量與最終碳纖維的強度關系表明，氧含量與體密度并不是越高越利于碳化反應。因此應當嚴格控制預氧化工藝

5、條件，綜合考慮其對最終碳纖維性能的影響。
　　最后對預氧化纖維的低溫碳化過程進行了研究。升溫速率過慢或過快均對剩余線性大分子的環(huán)化不利，升溫速率過慢，纖維失重大，不利于制取高強度碳纖維；過快則會使表面產生孔洞等缺陷。當其值為15℃/min時低溫碳化充分且失重較小。隨著熱處理溫度的升高，纖維表面的雜質減小，到800℃表面出現(xiàn)微小的孔洞，斷面變得越來越致密。由小角的測試結果表明微孔的尺寸變小，數量增多。隨著碳化溫度的升高，石墨化程度越