PAN原絲的組織結(jié)構(gòu)與性能的表征.pdf

1、優(yōu)質(zhì)的聚丙烯腈(PAN)原絲是制備高性能碳纖維的必要條件。研究PAN原絲的結(jié)構(gòu)，掌握原絲結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系，對改善和提高PAN基碳纖維的性能有重要意義。本文采用烏氏粘度計(UDV)、核磁共振儀(NMR)、廣角X射線衍射(WAXD)、偏光顯微鏡(PM)、透射電鏡(TEM)、掃描電鏡(SEM)、電子探針(EPMA)、差示掃描量熱儀(DSC)及熱重分析儀(TG)等測試技術(shù)，分別對PAN原絲的分子鏈結(jié)構(gòu)、凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)、形態(tài)結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能以及熱性

2、能等，作了較系統(tǒng)的研究。 PAN原絲分子量大小與其力學(xué)性能的測試結(jié)果表明，PAN原絲的分子量對原絲的強度有一定的影響，分子量在15萬以下時，隨著分子量的增加原絲強度增大，達到15萬以后，原絲強度維持在7.0cN/dtex左右；而分子量對原絲的斷裂伸長率影響不明顯，當原絲分子量在13.5～16.5萬范圍內(nèi)，PAN原絲的斷裂伸長率在9.5～11.5﹪范圍內(nèi)波動。這主要因為PAN原絲強度受分子鏈末端效應(yīng)的影響，分子量越小，鏈末端越多，

3、越容易產(chǎn)生相對滑移，降低原絲強度；而增加分子量，則相應(yīng)減少了鏈末端，增加了分子鏈間的摩擦力，提高了PAN原絲強度。而原絲的斷裂伸長率主要受分子鏈所處狀態(tài)的影響，對于熱處理充分的，分子鏈或鏈段處于卷曲狀態(tài)，其斷裂伸長率較大，反之亦然。 通過<'13>C NMR圖譜得到了PAN原絲分子鏈立體構(gòu)型單元的分布情況，發(fā)現(xiàn)實驗室自制原絲、日本產(chǎn)原絲及吉化產(chǎn)原絲的三單元立構(gòu)序列分布都符合伯努利幾率分布，均是無規(guī)立構(gòu)聚合物；其中，實驗室自制原絲

4、的規(guī)整度最高，這三種PAN原絲的溶解性實驗也得到了同樣的結(jié)果。 在紡絲過程中PAN原絲的結(jié)晶度和取向度都不斷增加。原絲中的微晶起到物理交聯(lián)的作用，所以原絲結(jié)晶度越大，物理交聯(lián)越多，原絲的強度、初始模量、斷裂功都隨之增加；利用原絲在光學(xué)異性上表現(xiàn)出的雙折射性，測定纖維分子鏈或鏈段的總?cè)∠?，PAN原絲的雙折射率絕對值越大，其總?cè)∠蚨仍礁?，晶區(qū)間連接鏈長度差異越小，每個連接鏈所受張力差異也越小，這時原絲的強度增加，斷裂伸長率減小。

5、 采用TEM、SEM和EPMA觀察了PAN原絲內(nèi)部組織形態(tài)和表面形態(tài)。發(fā)現(xiàn)PAN原絲內(nèi)部是由平行于纖維軸、直徑約為250～400nm的原纖組成，在原纖與原纖之間有非晶夾層存在，原纖內(nèi)部相間分布著層狀微結(jié)晶區(qū)和非晶區(qū)，層狀結(jié)構(gòu)與纖維軸垂直或呈一定角度分布。原纖的形成機理尚不清楚，還有待于進一步研究。原絲的皮層比芯部的結(jié)構(gòu)致密、晶粒尺寸小，造成了原絲皮層強度大于芯部強度。原絲表面的凸痕是原纖在表面的顯露，平行于軸向的原纖對原絲的強度有一

6、定的貢獻。原絲內(nèi)部存在孔洞等缺陷，這些缺陷是降低原絲強度的重要原因。 PAN原絲的力學(xué)性能與原絲的結(jié)構(gòu)特征相對應(yīng)，強度高、模量高的原絲其結(jié)晶度和分子取向程度均較高；隨拉伸形變速率的增加，應(yīng)力．應(yīng)變曲線變陡峭，形變模量增大，斷裂伸長率降低，強度先增大后減小。相對鉤接強度與原絲的斷裂伸長率呈正比。 原絲的熱性能與其結(jié)構(gòu)關(guān)系密切，PAN原絲的結(jié)晶度和規(guī)整度越高，氧擴散越慢，其熱失重的起始溫度越高：原絲的共聚單體及配比影響原絲D