預氧化溫度對PAN纖維結構與性能的影響.pdf

1、近年來國內(nèi)1K、3K碳纖維的生產(chǎn)與研究有了長足的進步，基本滿足了國內(nèi)急需用途，令人鼓舞。但從國內(nèi)外看，12K碳纖維的市場占有率與應用在90％以上，因此下一階段的目標之一是擴大碳纖維市場的基本需求。然而，目前國內(nèi)12k炭纖維的制備技術還有待完善，這反映在無論使用性能還是力學性能與國外通用級產(chǎn)品都還有相當距離，尚處于研發(fā)階段。在研究方面，國內(nèi)研究機構全部或基本上都未開展12K碳纖維的針對性基礎與工程研究，系統(tǒng)性研究更談不上。因此，填補12K

2、碳纖維的基礎性與相關研究就顯得尤為重要。
　　 為了進一步提高國產(chǎn)12k PAN纖維的質(zhì)量，本文利用FT-IR、DCS、TG、密度、EDS、XRD和力學性能等多種測試手段，對具有相同NaSCN濕法紡制路線的國內(nèi)外纖維(國內(nèi)石化廠家生產(chǎn)的12kPAN纖維、英國Courtaulds公司生產(chǎn)的12k PAN纖維、日本旭化成12k PAN纖維)的結構和性能進行了對比分析和討論。對三種PAN纖維進行變預氧化工藝條件實驗，展開對國產(chǎn)12k

3、PAN碳纖維制備工藝的初步研究。借助紅外光譜(FT-IR)、元素分析(EA)、X射線衍射(XRD)、X射線能譜儀(EDS)、力學性能、皮芯結構形貌照片、掃描電鏡(SEM)等測試手段，采用對比方法研究了預氧化溫度和預氧化牽伸比等工藝條件對預氧化纖維和炭纖維的結構與性能的影響。重點探討了預氧化過程中，氧元素的擴散機理及其對預氧化纖維皮芯結構形成的內(nèi)在關聯(lián)。
　　 結果表明：通過對比，三種PAN纖維的結構與性能有所差異，國產(chǎn)PAN纖維

4、的密度、拉伸強度均比國外PAN纖維小，綜合放熱性能和紅外分析可以反映出，國產(chǎn)PAN纖維的組分和組成很接近考特爾PAN纖維，需要改進的是紡絲工藝。通過預氧化工藝參數(shù)的優(yōu)化篩選，由三種12K PAN纖維制備的碳纖維最高拉伸強度分別為3.53GPa、3.65GPa、3.69GPa。
　　 通過對國內(nèi)外三種12K PAN纖維制備碳纖維過程的對比研究可以看出，國內(nèi)外12K PAN纖維在形成炭纖維過程中密度、直徑和力學性能以及化學與聚集態(tài)結

5、構的變化趨勢基本保持一致，可以推斷預氧化過程中三種纖維結構變化的差異性不大。
　　 通過對氧元素擴散機理的研究表明：1.氧化反應的發(fā)生和氧元素在纖維截面的不均勻分布是形成“可視”皮芯結構的主要原因之一；2.氧使得環(huán)化反應提前進行，氧元素以C-O C=O的形式結合在環(huán)化結構上，環(huán)化結構的形成促進了氧化反應的進行；3.采用EDS表征方法可以量化表征氧在預氧化纖維不同區(qū)域的結合速率，彌補了以往只用預氧化纖維平均含氧量來研究氧元素結合速

6、率的缺點，4.預氧化纖維中不同區(qū)域的氧元素的結合速率可以方便地掌握皮芯結構的演變；5.不同預氧化溫度下，氣氛中的氧氣濃度對氧結合速率有一定影響，通過調(diào)節(jié)不同預氧化溫度下的氧氣濃度可以控制預氧化纖維的氧含量和減輕纖維皮芯結構的形成。
　　 本文建立了一種新型的評價皮芯結構的方法，即皮芯氧含量差值比。該表征方法可對不同階段的預氧化纖維的皮芯結構進行量化表征。該皮芯氧含量差值比參數(shù)定義為F=[(A-B)/A]×100％，式中：A-纖維