聚丙烯腈原絲紡絲工藝與性能相關(guān)性研究.pdf

1、高質(zhì)量的聚丙烯腈(PAN)原絲是生產(chǎn)高性能聚丙烯腈基碳纖維的前提條件。研究PAN原絲的紡絲工藝與纖維性能和結(jié)構(gòu)的關(guān)系，掌握紡絲工藝與原絲性能的相關(guān)性，對(duì)于改善和提高PAN基碳纖維原絲的性能有十分重要的意義。本文采用電子探針(EPMA)、透射電鏡(TEM)、掃描電鏡(SEM)、廣角X射線衍射儀(WAXD)和元素分析儀等測(cè)試手段和技術(shù)，系統(tǒng)地研究了聚丙烯腈原絲紡絲過(guò)程中各個(gè)主要工藝階段對(duì)纖維的結(jié)構(gòu)和性能的影響，結(jié)合整個(gè)紡絲流程研究了纖維結(jié)構(gòu)

2、和缺陷的演變過(guò)程。 纖維在凝固浴中的凝固過(guò)程是影響原絲結(jié)構(gòu)和性能的重要過(guò)程。結(jié)構(gòu)均勻的原絲有利于制備高性能的碳纖維，而初生纖維的結(jié)構(gòu)均勻性(包括纖維的截面形狀和皮芯結(jié)構(gòu))是影響原絲結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要因素。研究了不同凝固浴濃度、溫度和噴絲頭牽伸率對(duì)初生纖維截面的影響，發(fā)現(xiàn)提高凝固浴的濃度和降低凝固浴的溫度，都會(huì)使擴(kuò)散速度變慢，易形成圓形的截面。在一定的范圍內(nèi)提高噴絲頭牽伸率，初生纖維的截面趨于圓形，還可以降低原絲的纖度，提高原絲的取向

3、度和強(qiáng)度，但過(guò)大的噴絲頭牽伸率反而會(huì)降低原絲的性能。 初生纖維的大分子結(jié)構(gòu)缺乏定向排列，纖維的強(qiáng)度低，要制備高性能的碳纖維原絲，必須對(duì)纖維進(jìn)行牽伸提高纖維的取向度。為提高牽伸的總倍數(shù)，牽伸過(guò)程分四段進(jìn)行，需對(duì)牽伸倍數(shù)的分配進(jìn)行優(yōu)化。二級(jí)凝固浴牽伸倍數(shù)在1.1～1.5之間，預(yù)牽伸倍數(shù)在1.3～1.6左右，但牽伸溫度必須在80℃以上，沸水牽伸的倍數(shù)可達(dá)到1.7，蒸汽牽伸的倍數(shù)可達(dá)到2.0～3.0。分析了各工藝階段纖維的應(yīng)力一應(yīng)變曲線

4、，發(fā)現(xiàn)一級(jí)凝固浴、二級(jí)凝固浴和三級(jí)凝固浴的纖維存在明顯的普彈形變、屈服點(diǎn)以及縮頸階段。從預(yù)牽伸開(kāi)始，纖維的屈服點(diǎn)和縮頸階段開(kāi)始變的不明顯直至消失。隨著牽伸的進(jìn)行，纖維的強(qiáng)度提高，斷裂延伸率下降，從150﹪下降到10﹪左右，同時(shí)纖維的結(jié)晶度和晶粒尺寸增大。 凝固后的纖維中形成了一種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，經(jīng)牽伸后，纖維中的小孔在取向方向被拉長(zhǎng)。干燥致密化過(guò)程中脫除水，使纖維中的空隙產(chǎn)生負(fù)壓并收縮，從而使纖維致密化。在一定的范圍內(nèi)增加致密化的時(shí)間

5、可以提高纖維的晶粒尺寸和結(jié)晶度，提高纖維的強(qiáng)度，降低其斷裂延伸率，降低纖維的內(nèi)應(yīng)力。致密化時(shí)間短，纖維的密度低，致密性差，強(qiáng)度低；致密化時(shí)間長(zhǎng)，會(huì)使纖維發(fā)生化學(xué)結(jié)構(gòu)的變化，還可能增加缺陷產(chǎn)生的幾率。在一定范圍內(nèi)提高致密化溫度也可以提高纖維的致密性和機(jī)械性能，降低內(nèi)應(yīng)力。致密化溫度過(guò)低達(dá)不到致密化效果，溫度過(guò)高可能使纖維發(fā)生氧化，還會(huì)燙傷纖維表面。在140℃溫度下致密化64～80s可以得到綜合性能良好的纖維。在致密化過(guò)程中對(duì)纖維進(jìn)行潤(rùn)濕處

6、理可以降低纖維的晶粒尺寸，能夠提高原絲的強(qiáng)度。研究了纖維的沸水收縮率的變化，發(fā)現(xiàn)纖維的內(nèi)應(yīng)力與牽伸的倍數(shù)和溫度有關(guān)。研究了紡絲過(guò)程中各階段纖維的結(jié)晶行為，發(fā)現(xiàn)隨著紡絲工序的進(jìn)行，纖維的結(jié)晶度和晶粒尺寸逐漸的增大，其中致密化和牽伸對(duì)結(jié)晶結(jié)構(gòu)的完善作用影響最大。纖維中存在網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和層狀結(jié)構(gòu)，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)是以纖維的晶區(qū)為結(jié)點(diǎn)的，可有效阻止裂紋的傳播，提高纖維的強(qiáng)度，層狀組織是由有序的晶區(qū)組成，其方向垂直于纖維的軸向。紡絲過(guò)程中，纖維表面存在大量的