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文檔簡介
1、高性能碳纖維作為國家的新型戰(zhàn)略材料,在力學、熱學上同其它常用材料相比有著無可比擬的優(yōu)勢,不僅在國防科技領域率先得到了應用,在國民經(jīng)濟眾多領域也得到了廣泛普及。但碳纖維的生產(chǎn)成本較高成為制約其進一步發(fā)展和應用的重要影響因素。因此在穩(wěn)定和提高產(chǎn)品質(zhì)量的基礎上,研究碳纖維低成本化的途徑,是重大戰(zhàn)略任務之一。
影響碳纖維生產(chǎn)成本的因素主要有原絲及其基本價格、紡絲工藝成本、預氧化新工藝及設備成本、碳化新工藝及設備價格等。其中,熱穩(wěn)定化過
2、程是一個非常重要的階段,起到了中間橋梁的作用,但是需要較長的時間才能完成,并且碳化和石墨化是碳纖維形成的主要階段,需要在惰性氣體中對預氧化纖維進行高溫處理,因此導致了碳纖維成本較高。所以提高氧化速度,是降低碳纖維生產(chǎn)成本的有效途徑。但氧化速度快,環(huán)化熱會使 PAN原絲溫度高、裂解、斷絲,因此要提高氧化速度,必須降低或分散PAN原絲的環(huán)化熱。
化學改性法不但可以加快預氧化速度、降低環(huán)化溫度、降低成本,還可以提高碳纖維強度。本論文
3、提出了一種新的碳纖維低成本技術。對紡絲液進行化學改性,使部分PAN發(fā)生環(huán)化,從而降低原絲氧化過程的環(huán)化熱,希望以此提高氧化碳化速度,降低碳纖維生產(chǎn)成本。論文系統(tǒng)研究了 PAN紡絲液液相環(huán)化反應條件及其環(huán)化程度控制,環(huán)化程度與原絲的環(huán)化熱關系,部分環(huán)化 PAN紡絲液的凝固性能,部分環(huán)化PAN紡絲液的流變和可紡性,部分環(huán)化PAN的紡絲工藝及其原絲性能。主要結果如下:
1、PAN液相環(huán)化反應:對DMSO溶液中的PAN在惰性氣體下進行
4、液相環(huán)化反應。FTIR光譜中在1669cm-1處出現(xiàn)的新峰,以及UV-vis在414nm-1處的最大吸收峰說明了環(huán)化結構的形成。DSC測試結果表明同未處理的樣品相比,經(jīng)過熱處理的PAN在預氧化過程中釋放更少的熱量,并且放熱峰變寬。TG測試表明經(jīng)過熱處理的PAN具有更好的熱穩(wěn)定性,同時也有更高的碳得率。這說明,在溶液中的熱處理可以使PAN分子發(fā)生環(huán)化,因此該方法可以降低氧化放熱、分散放熱峰、減少熔斷率、提高預氧化速度。可以有效的降低碳纖維
5、生產(chǎn)成本。
2、部分環(huán)化PAN凝固行為及其相圖:采用濁點滴定法測定了PAN-DMSO-H2O體系低濃度時的濁點數(shù)據(jù),并根據(jù)Boom的線性濁點方程(LCP)采用外推法得到了完整的實驗雙節(jié)線。研究發(fā)現(xiàn)在PAN-DMSO-H2O體系中,隨著溫度的升高,雙節(jié)線朝PAN-H2O軸移動,均相區(qū)增大,表明此三元體系在高溫時具有更好的相容性。同時發(fā)現(xiàn)改性后的PAN構成的PAN-DMSO-H2O體系中由三種物質(zhì)所組成的單相區(qū)的更小,甚至在最高試
6、驗溫度(80℃)也比未改性樣品的最低試驗溫度(40℃)還要小。所以改性后的PAN更容易從PAN-DMSO沉淀出來。
3、部分環(huán)化PAN紡絲液流變行為及其可紡性:通過對部分環(huán)化PAN紡絲液流變行為及其可紡性的研究發(fā)現(xiàn),經(jīng)過反應后的PAN由于分子結構的改變其表觀粘度高于未改性的PAN。同未反應的PAN一樣隨著角頻率的增大其動態(tài)粘度逐漸減小,儲能模量、損耗模量逐漸增大。同時發(fā)現(xiàn)反應后的PAN-DMSO溶液更容易凝膠,但相差不大。但是
7、經(jīng)過反應后的PAN由于交聯(lián)的發(fā)生,需要適當?shù)奶岣呒徑z液的溫度才能擠出較好的初生絲。而反應溫度過高時交聯(lián)過度過大以至難以紡絲。
4、部分環(huán)化PAN紡絲工藝研究:最后對部分環(huán)化PAN紡絲工藝進行研究。優(yōu)化紡絲條件后發(fā)現(xiàn),經(jīng)過液相環(huán)化反應后的PAN原絲性能可以達到甚至高于未反應的PAN原絲。反應后的PAN所形成的原絲具有較好的力學性能。
因此,采用液環(huán)化反應可制得具有優(yōu)異的結構和性能的PAN原絲,而且有望作為碳纖維原絲,制
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