聚丙烯腈纖維孔隙結(jié)構(gòu)對預(yù)氧化的影響.pdf

1、聚丙烯腈(PAN)纖維制造碳纖維一般要經(jīng)過預(yù)氧化、碳化兩個階段，對于高模量碳纖維還要經(jīng)過石墨化。在制備過程中，預(yù)氧化處理是關(guān)鍵步驟之一，其結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變在極大程度上決定著最終炭纖維的結(jié)構(gòu)和性能。聚丙烯腈原絲的預(yù)氧化涉及環(huán)化、氧化和雙擴(kuò)散，氧由表及里向纖維內(nèi)部擴(kuò)散，而預(yù)氧化反應(yīng)產(chǎn)生的小分子產(chǎn)物和釋放的熱量向外擴(kuò)散。氧以含氧官能團(tuán)形式存于分子鏈上。隨著環(huán)化和氧化反應(yīng)進(jìn)行，纖維表層結(jié)構(gòu)逐漸致密，氧向纖維內(nèi)部擴(kuò)散受阻，擴(kuò)散速率減小，最終預(yù)氧絲徑向氧含

2、量梯度增大，皮芯結(jié)構(gòu)嚴(yán)重。在聚丙烯腈纖維預(yù)氧化過程中，氧擴(kuò)散是通過原絲纖維中的微孔進(jìn)行的，一方面，孔隙為氧擴(kuò)散提供了通道;另一方面，孔隙也是以一種缺陷存在于纖維中。纖維結(jié)構(gòu)太致密會使皮芯結(jié)構(gòu)嚴(yán)重，孔結(jié)構(gòu)太發(fā)達(dá)則碳纖維缺陷太多。因此纖維中的孔結(jié)構(gòu)是原絲重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)，對于制備碳纖維的熱處理工藝條件有很重要的參考價值。
　　 本論文從定性和定量兩方面討論孔隙結(jié)構(gòu)對于氧擴(kuò)散的影響。定性研究采用濕法紡絲，通過不同的牽伸條件，制備具有相同

3、的化學(xué)組分和不同孔隙結(jié)構(gòu)（包括孔徑分布、孔隙率等）的聚丙烯腈纖維，然后在相同的條件下預(yù)氧化，并檢測纖維的徑向氧含量。實驗結(jié)果表明隨著拉伸倍數(shù)的逐漸提高，纖維的取向性和結(jié)構(gòu)的致密性都會得到提高;纖維徑向的氧濃度梯度值會變大，線掃描得到的徑向氧元素分布會變得更加“陡峭”，并形成嚴(yán)重的皮芯結(jié)構(gòu)。
　　 定量研究孔隙結(jié)構(gòu)對氧擴(kuò)散的影響是本論文的重點(diǎn):選取具有不同化學(xué)組成和孔結(jié)構(gòu)參數(shù)的商業(yè)化聚丙烯腈(PAN)纖維進(jìn)行預(yù)氧化，并測原絲的氧化