張力對(duì)聚丙烯腈不熔化過程的影響.pdf

1、不熔化過程是碳纖維制備過程中的重要步驟，在此過程中施加張力可以有效抑制分子鏈解取向?，F(xiàn)階段對(duì)于不熔化過程中張力的研究大多通過在某一溫度區(qū)間內(nèi)施加不同張力，考察張力對(duì)不熔化纖維結(jié)構(gòu)與性能的影響，但對(duì)于張力是如何影響不熔化過程中的環(huán)化和氧化反應(yīng)還缺乏明確的認(rèn)識(shí)。不熔化反應(yīng)需要在梯度升溫的過程中才能進(jìn)行完全，而且反應(yīng)的前后階段相互影響，氧化反應(yīng)和環(huán)化反應(yīng)也相互影響。因此只有通過連續(xù)化的實(shí)驗(yàn)，在整個(gè)不熔化反應(yīng)過程中分段施加不同的張力，并將氧化和

2、環(huán)化反應(yīng)分離開來，才能明確認(rèn)識(shí)張力對(duì)不熔化中結(jié)構(gòu)變化和對(duì)不熔化反應(yīng)的影響。
　　本研究使用自主設(shè)計(jì)制造的不熔化處理設(shè)備，進(jìn)行連續(xù)的不熔化實(shí)驗(yàn)。在不同的溫度段施加不同的張力，并且在空氣和氮?dú)鈨煞N氣氛中進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，得到一系列不同不熔化程度的纖維。利用傅里葉紅外光譜(FT-IR)、差示掃描量熱法(DSC)、廣角X射線衍射(WAXD)、體密度等測試手段對(duì)不熔化纖維的結(jié)構(gòu)與性能進(jìn)行表征。研究了在不同溫度段中張力對(duì)纖維取向度、結(jié)晶度和晶粒參

3、數(shù)，以及環(huán)化和氧化反應(yīng)的影響，最后制得了性能較好的碳纖維。研究發(fā)現(xiàn):
　　當(dāng)不熔化反應(yīng)溫度在175-218℃時(shí)，由于溫度較低化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行程度較小，空氣和氮?dú)庵袕埩?duì)結(jié)構(gòu)變化的影響相似。張力的主要作用在于抑制非晶區(qū)分子鏈解取向和提高晶區(qū)的取向，從而提高纖維的整體取向度，同時(shí)晶粒尺寸和結(jié)晶度隨張力增大而增大。張力對(duì)環(huán)化反應(yīng)的影響則通過改變非晶區(qū)氰基間的距離，使得纖維在合適的張力下，有相對(duì)較高的環(huán)化度，過大或過小的張力都不利于環(huán)化度的提

4、高?？諝庵须S著張力的增大，纖維中氧含量減少，沿徑向方向的氧梯度增大。
　　隨著不熔化反應(yīng)的進(jìn)行，在226-232℃時(shí)，氮?dú)庵协h(huán)化反應(yīng)已經(jīng)擴(kuò)展至晶區(qū)，整體取向度隨張力增大呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，但是晶區(qū)的取向度和結(jié)晶度均隨張力的增大而減小。張力從300cN增大至500cN時(shí)，張力的增大有助于降低氰基環(huán)化反應(yīng)活化能，所以環(huán)化度隨張力增大而增大，而當(dāng)張力繼續(xù)增加時(shí)，由于分子鏈間產(chǎn)生滑移張力作用減弱，環(huán)化度隨張力增大而降低。在空氣中環(huán)化

5、反應(yīng)速度較慢，在這一階段晶區(qū)結(jié)構(gòu)大部分得以保留，纖維取向度和環(huán)化度隨張力變化的規(guī)律與前一階段類似。由于環(huán)化反應(yīng)和氧化反應(yīng)的競爭性，環(huán)化度較高時(shí)，氧含量較少氧梯度較大。
　　當(dāng)不熔化反應(yīng)進(jìn)行至238-270℃時(shí)，晶區(qū)大部分被破壞，在氮?dú)庵协h(huán)化度隨張力的增大而增加，此時(shí)張力增大有利于線型的分子結(jié)構(gòu)向平面型的類芳香環(huán)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化。在空氣中，隨著張力的增大，纖維的整體取向度繼續(xù)增加，同時(shí)氧含量和氧梯度都隨張力的增大而增大。
　　綜上規(guī)律