凝膠化原理在碳纖維原絲制備中的應用.pdf

1、碳纖維具有高強度、高模量、耐高溫、耐腐蝕等一系列的優(yōu)異性能。作為先進復合材料的增強纖維,目前已被廣泛的應用在各個領域。我國與國外的聚丙烯腈(PAN)碳纖維差距巨大,特別是高性能PAN原絲方面的工作還比較欠缺,原絲質量已經成為阻礙國內高性能碳纖維發(fā)展的瓶頸。目前國內外碳纖維原絲的成形方法主要是濕法與干濕法兩種。但是這兩種方法制備的碳纖維原絲始終不能去除皮芯結構和大孔兩大致命隱患。因此制備高強高模聚乙烯纖維的凝膠法紡絲方法被應用于碳纖維原絲

2、的制備中,傳統(tǒng)凝膠法紡絲方法所采用的均是超高分子量的聚合物。本實驗采用常規(guī)分子量(7~8萬)的聚合體、23％左右的原液濃度、以在原液中添加非溶劑的方式促進原液在凝固浴中進行雙擴散之前凝膠化。利用熱致變凝膠化的原理來達到制取無皮芯結構、結構均勻,僅有彌散狀微孔的優(yōu)質原絲的目的。PAN紡絲溶液的凝膠轉變溫度對PAN原絲的凝膠紡絲有著很重要的參考意義。本實驗利用動態(tài)流變學實驗來測定PAN/DMSO溶液的凝膠點溫度。主要通過測量溶液的動態(tài)流變學

3、參數(shù)(損耗角正切tanδ)在溶液凝膠化過程中的變化來確定不同含水量的PAN溶液的凝膠點溫度。另外,本實驗還分析了PAN/DMSO溶液的凝膠點溫度與溶液中含水量的關系。通過測量動態(tài)流變學參數(shù)(動態(tài)模量G′和G″,損耗角正切tanδ,復數(shù)粘度η~*)來表征PAN溶液的凝膠化行為,分析了含水量對溶液凝膠化行為和凝膠結構的影響。由PAN熱致變凝膠化的流變學研究對熱致變凝膠法紡絲實驗進行指導,本實驗使用不同含水量的20%和23%的PAN/DMSO

4、溶液,在不同的凝固浴溫度條件和不同拉伸條件下,通過凝膠紡絲方法制備聚丙烯腈基碳纖維原絲,并通過力學測試、膨潤度測試、XRD和SEM等對原絲的性能結構進行表征。結果顯示隨著凝固浴溫度的降低,纖維樣品中的大孔逐漸減小,當凝固浴溫度達到-9℃時,大孔消失。隨著PAN濃度的增加,纖維樣品的膨潤度降低,力學性能提高。由于靠凝固浴凝膠的凝膠法紡絲方法不能在根本上去除皮芯結構和大孔這兩大提高纖維性能的隱患,本實驗對凝膠法紡絲方法進行了改進,由凝固浴中

5、的凝固調整為紡絲料桶中的凝固,這樣紡絲液在料桶中已經形成了穩(wěn)定網絡結構的凝膠狀態(tài),擠出成型不會破壞這種凝膠狀態(tài),完全避免了纖維在凝固浴中凝固時產生的皮芯結構和大孔。本實驗采用含水量為4 wt%的23 wt%PAN/DMSO溶液,在不同紡絲溫度條件下制備PAN碳纖維原絲,并通過熱臺顯微鏡、SEM、纖維皮芯結構的測定和膨潤度的測定等測試手段對原絲的結構和性能進行表征。結果顯示通過對凝膠法紡絲方法的改進,我們制得了沒有大孔和皮芯結構的標準圓形