凝膠化原理在碳纖維原絲制備中的應(yīng)用.pdf

1、碳纖維具有高強(qiáng)度、高模量、耐高溫、耐腐蝕等一系列的優(yōu)異性能。作為先進(jìn)復(fù)合材料的增強(qiáng)纖維,目前已被廣泛的應(yīng)用在各個領(lǐng)域。我國與國外的聚丙烯腈(PAN)碳纖維差距巨大,特別是高性能PAN原絲方面的工作還比較欠缺,原絲質(zhì)量已經(jīng)成為阻礙國內(nèi)高性能碳纖維發(fā)展的瓶頸。目前國內(nèi)外碳纖維原絲的成形方法主要是濕法與干濕法兩種。但是這兩種方法制備的碳纖維原絲始終不能去除皮芯結(jié)構(gòu)和大孔兩大致命隱患。因此制備高強(qiáng)高模聚乙烯纖維的凝膠法紡絲方法被應(yīng)用于碳纖維原絲

2、的制備中,傳統(tǒng)凝膠法紡絲方法所采用的均是超高分子量的聚合物。本實(shí)驗(yàn)采用常規(guī)分子量(7~8萬)的聚合體、23％左右的原液濃度、以在原液中添加非溶劑的方式促進(jìn)原液在凝固浴中進(jìn)行雙擴(kuò)散之前凝膠化。利用熱致變凝膠化的原理來達(dá)到制取無皮芯結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)均勻,僅有彌散狀微孔的優(yōu)質(zhì)原絲的目的。PAN紡絲溶液的凝膠轉(zhuǎn)變溫度對PAN原絲的凝膠紡絲有著很重要的參考意義。本實(shí)驗(yàn)利用動態(tài)流變學(xué)實(shí)驗(yàn)來測定PAN/DMSO溶液的凝膠點(diǎn)溫度。主要通過測量溶液的動態(tài)流變學(xué)

3、參數(shù)(損耗角正切tanδ)在溶液凝膠化過程中的變化來確定不同含水量的PAN溶液的凝膠點(diǎn)溫度。另外,本實(shí)驗(yàn)還分析了PAN/DMSO溶液的凝膠點(diǎn)溫度與溶液中含水量的關(guān)系。通過測量動態(tài)流變學(xué)參數(shù)(動態(tài)模量G′和G″,損耗角正切tanδ,復(fù)數(shù)粘度η~*)來表征PAN溶液的凝膠化行為,分析了含水量對溶液凝膠化行為和凝膠結(jié)構(gòu)的影響。由PAN熱致變凝膠化的流變學(xué)研究對熱致變凝膠法紡絲實(shí)驗(yàn)進(jìn)行指導(dǎo),本實(shí)驗(yàn)使用不同含水量的20%和23%的PAN/DMSO

4、溶液,在不同的凝固浴溫度條件和不同拉伸條件下,通過凝膠紡絲方法制備聚丙烯腈基碳纖維原絲,并通過力學(xué)測試、膨潤度測試、XRD和SEM等對原絲的性能結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。結(jié)果顯示隨著凝固浴溫度的降低,纖維樣品中的大孔逐漸減小,當(dāng)凝固浴溫度達(dá)到-9℃時,大孔消失。隨著PAN濃度的增加,纖維樣品的膨潤度降低,力學(xué)性能提高。由于靠凝固浴凝膠的凝膠法紡絲方法不能在根本上去除皮芯結(jié)構(gòu)和大孔這兩大提高纖維性能的隱患,本實(shí)驗(yàn)對凝膠法紡絲方法進(jìn)行了改進(jìn),由凝固浴中

5、的凝固調(diào)整為紡絲料桶中的凝固,這樣紡絲液在料桶中已經(jīng)形成了穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的凝膠狀態(tài),擠出成型不會破壞這種凝膠狀態(tài),完全避免了纖維在凝固浴中凝固時產(chǎn)生的皮芯結(jié)構(gòu)和大孔。本實(shí)驗(yàn)采用含水量為4 wt%的23 wt%PAN/DMSO溶液,在不同紡絲溫度條件下制備PAN碳纖維原絲,并通過熱臺顯微鏡、SEM、纖維皮芯結(jié)構(gòu)的測定和膨潤度的測定等測試手段對原絲的結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行表征。結(jié)果顯示通過對凝膠法紡絲方法的改進(jìn),我們制得了沒有大孔和皮芯結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)圓形