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1、聚丙烯腈(PAN)基碳纖維優(yōu)異的力學(xué)性能是由其結(jié)構(gòu)決定的,而碳纖維最終的結(jié)構(gòu)形態(tài)是在制備過(guò)程中逐漸形成的,與其制造工藝、原絲和預(yù)氧絲的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。因此,弄清 PAN纖維在預(yù)氧化和碳化過(guò)程中結(jié)構(gòu)的演變具有重要意義。本論文以熔融紡絲法制備的PAN纖維為研究對(duì)象,在對(duì)其結(jié)構(gòu)與性能分析的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步開(kāi)展了預(yù)氧化、碳化過(guò)程的研究。
首先采用單絲纖維強(qiáng)伸度儀、掃描電子顯微鏡(SEM)、X射線衍射(XRD)、聲速取向儀、差示掃描量熱法(
2、DSC)及傅里葉變換紅外光譜(FTIR)等多種測(cè)試方法對(duì)熔紡 PAN纖維的結(jié)構(gòu)及性能進(jìn)行了研究,并與三種濕紡原絲進(jìn)行了對(duì)比。研究結(jié)果表明:熔紡 PAN纖維的表面比較光滑,無(wú)溝槽等表面缺陷;截面為圓形,徑向結(jié)構(gòu)均一,無(wú)皮芯結(jié)構(gòu),內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常致密,沒(méi)有明顯的細(xì)微空洞結(jié)構(gòu)等缺陷;結(jié)晶度為62.36%,斷裂強(qiáng)度為6.14cN/dtex;熔紡PAN纖維在制備過(guò)程中已經(jīng)發(fā)生了部分環(huán)化反應(yīng),環(huán)化率為0.18;熔紡PAN纖維環(huán)化反應(yīng)期間放熱量少且放熱范
3、圍寬。PAN纖維的熱收縮率小在預(yù)氧化過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生很大的收縮,使預(yù)氧化纖維結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定。
其次,在空氣氛圍一定溫度梯度下針對(duì)熔紡 PAN纖維,采用紅外(FTIR)、X射線衍射(XRD)、差示掃描量熱法(DSC)、小角X散射(SAXS)、元素分析(EA)和體密度測(cè)試等多種研究方法,研究了在線張力和空氣流量對(duì)預(yù)氧化纖維結(jié)構(gòu)及性能的影響。當(dāng)施加一定的牽伸時(shí),纖維的取向度和晶體尺寸均有降低,同時(shí)纖維的孔隙結(jié)構(gòu)也受到影響,孔洞體積和平均孔
4、徑均有一定程度的下降,從而影響了氧的擴(kuò)散。所以當(dāng)牽伸超過(guò)一定程度后,由于預(yù)氧化不充分,未形成完善的氧化交聯(lián)結(jié)構(gòu),在碳化過(guò)程中纖維結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重,導(dǎo)致纖維最終的力學(xué)性能下降??諝饬髁繉?duì)預(yù)氧化過(guò)程的影響比較復(fù)雜??諝饬髁繉?duì)預(yù)氧化纖維的晶體結(jié)構(gòu)影響很小,適宜的氣流量能促進(jìn)環(huán)化反應(yīng),在一定范圍內(nèi),隨著氣流量的增大,預(yù)氧化纖維的氧含量和體密度增加,但氣流量與最終碳纖維的強(qiáng)度關(guān)系表明,氧含量與體密度并不是越高越利于碳化反應(yīng)。因此應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格控制預(yù)氧化工藝
5、條件,綜合考慮其對(duì)最終碳纖維性能的影響。
最后對(duì)預(yù)氧化纖維的低溫碳化過(guò)程進(jìn)行了研究。升溫速率過(guò)慢或過(guò)快均對(duì)剩余線性大分子的環(huán)化不利,升溫速率過(guò)慢,纖維失重大,不利于制取高強(qiáng)度碳纖維;過(guò)快則會(huì)使表面產(chǎn)生孔洞等缺陷。當(dāng)其值為15℃/min時(shí)低溫碳化充分且失重較小。隨著熱處理溫度的升高,纖維表面的雜質(zhì)減小,到800℃表面出現(xiàn)微小的孔洞,斷面變得越來(lái)越致密。由小角的測(cè)試結(jié)果表明微孔的尺寸變小,數(shù)量增多。隨著碳化溫度的升高,石墨化程度越
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