氧化石墨烯對聚丙烯腈紡絲及其向碳纖維結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化的影響.pdf

1、聚丙烯腈(PAN)碳纖維原絲中分子沿纖維軸向的取向很大程度上決定了碳化過程中形成的類石墨層片的取向，取向度的提高有利于提高碳纖維的拉伸強(qiáng)度和模量。在紡絲全過程中纖維在單軸牽伸應(yīng)力作用下，PAN分子沿軸向擇優(yōu)取向，然而在預(yù)氧化過程中，由于分子熱運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生解取向，只有在交聯(lián)和耐熱結(jié)構(gòu)形成后，這種取向結(jié)構(gòu)才能夠固定下來。因此如何提高原絲取向度和降低預(yù)氧化過程中的解取向?qū)μ岣咛祭w維的性能具有重大意義。
　　 剛性分子材料具有良好的熱穩(wěn)定

2、性，在高溫下容易取向并且能保持這種取向結(jié)構(gòu)，如粘土、碳納米管、石墨烯等。因此，加入剛性分子材料，有利于限制PAN分子由于熱運(yùn)動(dòng)引起的解取向。石墨烯是由單層碳原子緊密堆積成二維層狀結(jié)構(gòu)的一種碳質(zhì)新材料，也是世界上最薄的材料，具有優(yōu)異的力學(xué)性能。與石墨烯相比，氧化石墨烯(GO)具有相同的層狀結(jié)構(gòu)，但GO的層間及層片邊緣含有含氧官能團(tuán)（羥基、羧基、羰基和環(huán)氧基），這些官能團(tuán)使得GO更容易分散在水及有機(jī)溶劑中，而且GO的層間距更大，更有利于其他

3、小分子的插層。因此，在聚合物復(fù)合方面應(yīng)用GO來代替石墨烯。將GO加入到PAN中，在紡絲過程中，GO的片狀結(jié)構(gòu)將誘導(dǎo)PAN分子沿軸向取向，從而提高PAN原絲的取向度;在纖維的預(yù)氧化過程中，GO能抑制纖維的解取向;而在碳化過程中，GO能融入到纖維的晶體結(jié)構(gòu)中，并且作為獨(dú)立結(jié)構(gòu)連接周圍晶體，從而有利于碳纖維力學(xué)性能的提高。
　　 本文首先采用不同超聲時(shí)間制備了兩種不同層片尺寸大小的GO（GO1和GO2），通過原位聚合法制備了GO1/P

4、AN及GO2/PAN共聚物，研究了GO1和GO2分別在DMSO和PAN中的分散性、GO1對丙烯腈聚合及PAN流變性能的影響。結(jié)果表明，GO1和GO2在DMSO和PAN溶液中均分散均勻，但GO1對PAN的分子量和轉(zhuǎn)化率有所降低。在相同分子量和固含量下，GO可使PAN溶液粘度下降，流動(dòng)性增大，即有利于PAN的可紡性。采用濕法紡絲工藝制備了GO1/PAN及GO2/PAN原絲，研究了GO對PAN原絲結(jié)構(gòu)，力學(xué)性能和熱學(xué)性能的影響。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，加

5、入一定量的GO1后，PAN原絲的取向度、力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性都得到了提高，其中，當(dāng)GO1含量為0.5wt.％時(shí)，PAN碳纖維的取向度提高了15％。與GO2相比，較大層片尺寸的GO1更有利于PAN原絲取向度和力學(xué)性能的提高。最后，采用間歇式氧化和碳化工藝制備了GO1/PAN碳纖維，研究了GO1對PAN碳纖維結(jié)構(gòu)性能的影響。結(jié)果表明，GO有利于提高碳纖維的結(jié)構(gòu)均勻性，GO1/PAN碳纖維的斷面形貌比PAN碳纖維更規(guī)整，顆粒更小，加入適量的GO