聚丙烯腈纖維不熔化過(guò)程中的分子剛性化牽伸.pdf

1、碳纖維的性能在很大程度上取決于原絲的性能，但是預(yù)氧化和炭化工藝也起著關(guān)鍵性作用。為了研制高性能碳纖維，應(yīng)考慮到纖維的結(jié)構(gòu)因素及與此相適應(yīng)的工藝參數(shù)。
　　 然而，影響碳纖維性能的因素很多，綜合起來(lái)，一是微晶沿纖維軸向的擇優(yōu)取向度，二是纖維中包含的缺陷。碳收率低，纖維中的缺陷就會(huì)增多，因此必須提高纖維結(jié)構(gòu)完整性。Gupta等人研究發(fā)現(xiàn)，在一定初始應(yīng)力下對(duì)聚丙烯腈纖維在不同氣氛中進(jìn)行熱處理，氬氣中應(yīng)力增加最快，空氣中次之而氧氣中最小

2、。由于應(yīng)力的增加是環(huán)化反應(yīng)的結(jié)果，因此有理由認(rèn)為，氧化和環(huán)化之間存在一定的競(jìng)爭(zhēng)性，過(guò)早的氧化也可能會(huì)導(dǎo)致環(huán)化結(jié)構(gòu)的不完整。本論文擬先在氮?dú)庵袑?duì)聚丙烯腈纖維進(jìn)行剛性牽伸處理使其先環(huán)化完整，再在空氣中氧化交聯(lián)，以期望抑制纖維的解取向并提高PAN預(yù)氧化纖維的環(huán)化度和結(jié)構(gòu)完整性，經(jīng)過(guò)炭化提高碳纖維的力學(xué)性能。
　　 采用日本三菱公司生產(chǎn)的高性能PAN原絲，分別對(duì)其進(jìn)行氮?dú)庵袩崽幚砗涂諝庵袩崽幚恚ㄟ^(guò)紅外光譜和動(dòng)態(tài)力學(xué)分析發(fā)現(xiàn)該原絲經(jīng)過(guò)氮

3、氣熱處理只發(fā)生分子內(nèi)環(huán)化，并沒(méi)有發(fā)生分子間環(huán)化，而經(jīng)過(guò)空氣熱處理，纖維分子同時(shí)發(fā)生了分子內(nèi)環(huán)化和分子間環(huán)化。氮?dú)庵袩崽幚砝w維的環(huán)化度比在空氣中熱處理的環(huán)化度要高，分子形成更加完整的環(huán)化梯形結(jié)構(gòu)。
　　 通過(guò)熱分析、線(xiàn)密度測(cè)試和元素分析，發(fā)現(xiàn)PAN原絲經(jīng)過(guò)氮?dú)鉄崽幚砗螅w維放熱量增加且放熱峰提前，繼續(xù)在空氣中氧化處理后，纖維的線(xiàn)密度和氧元素含量都相對(duì)較高，結(jié)果表明經(jīng)過(guò)氮?dú)鉄崽幚砗?，纖維分子結(jié)構(gòu)更加完整，反應(yīng)活性進(jìn)一步提高，有利于進(jìn)

4、一步氧化交聯(lián)處理。
　　 在氮?dú)鉄崽幚磉^(guò)程中，PAN纖維分子環(huán)化，柔性鏈轉(zhuǎn)變成為剛性鏈，此時(shí)對(duì)纖維施加一定的牽伸--即剛性牽伸，可以有效抑制纖維分子的解取向。牽伸率越高，取向度越高，結(jié)晶度也越高，這對(duì)提高碳纖維力學(xué)性能是有利的。
　　 PAN纖維經(jīng)過(guò)氮?dú)鈿夥障碌膭傂誀可焯幚?，其力學(xué)性能得到提高。斷裂強(qiáng)度隨牽伸率的增加而增加，模量隨牽伸率的增加先增大后減小，并在10％～20％附近達(dá)到較高值。結(jié)果說(shuō)明PAN纖維經(jīng)過(guò)剛性牽伸預(yù)