聚丙烯腈纖維不熔化過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，但是預氧化和炭化工藝也起著關鍵性作用。為了研制高性能碳纖維，應考慮到纖維的結構因素及與此相適應的工藝參數(shù)。
　　 然而，影響碳纖維性能的因素很多，綜合起來，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，纖維中的缺陷就會增多，因此必須提高纖維結構完整性。Gupta等人研究發(fā)現(xiàn)，在一定初始應力下對聚丙烯腈纖維在不同氣氛中進行熱處理，氬氣中應力增加最快，空氣中次之而氧氣中最小

2、。由于應力的增加是環(huán)化反應的結果，因此有理由認為，氧化和環(huán)化之間存在一定的競爭性，過早的氧化也可能會導致環(huán)化結構的不完整。本論文擬先在氮氣中對聚丙烯腈纖維進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預氧化纖維的環(huán)化度和結構完整性，經(jīng)過炭化提高碳纖維的力學性能。
　　 采用日本三菱公司生產(chǎn)的高性能PAN原絲，分別對其進行氮氣中熱處理和空氣中熱處理，通過紅外光譜和動態(tài)力學分析發(fā)現(xiàn)該原絲經(jīng)過氮

3、氣熱處理只發(fā)生分子內(nèi)環(huán)化，并沒有發(fā)生分子間環(huán)化，而經(jīng)過空氣熱處理，纖維分子同時發(fā)生了分子內(nèi)環(huán)化和分子間環(huán)化。氮氣中熱處理纖維的環(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)化梯形結構。
　　 通過熱分析、線密度測試和元素分析，發(fā)現(xiàn)PAN原絲經(jīng)過氮氣熱處理后，纖維放熱量增加且放熱峰提前，繼續(xù)在空氣中氧化處理后，纖維的線密度和氧元素含量都相對較高，結果表明經(jīng)過氮氣熱處理后，纖維分子結構更加完整，反應活性進一步提高，有利于進

4、一步氧化交聯(lián)處理。
　　 在氮氣熱處理過程中，PAN纖維分子環(huán)化，柔性鏈轉變成為剛性鏈，此時對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，結晶度也越高，這對提高碳纖維力學性能是有利的。
　　 PAN纖維經(jīng)過氮氣氣氛下的剛性牽伸處理，其力學性能得到提高。斷裂強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％附近達到較高值。結果說明PAN纖維經(jīng)過剛性牽伸預