干噴濕紡聚丙烯腈纖維結構形成及其演變過程的研究.pdf

1、聚丙烯腈(PAN)原絲質量是提高碳纖維性能的關鍵因素，針對干噴濕紡工藝中的各階段纖維結構與性能展開系統(tǒng)性研究，全面了解PAN初生纖維結構成形以及后續(xù)紡絲各階段的纖維結構轉變過程，對改善PAN原絲質量和提高碳纖維拉伸強度具有實際指導優(yōu)化的作用。本文中我們采用了X射線衍射儀(XRD)、高分辨透射電鏡(HRTEM)、掃描電鏡(SEM)、差示掃描量熱法(DSC)、熱重分析(TG)等測試分析技術，對不同紡絲原液參數(shù)和凝固浴條件的初生纖維結構與性能

2、，以及制備過程當中PAN纖維的結構轉變規(guī)律展開了系統(tǒng)性研究工作。
　　干噴濕紡初生纖維階段是PAN原絲結構形成的最初以及最關鍵的制備過程。初生纖維結構對原絲質量有重要的影響。研究了凝固浴不同溫度、牽伸比以及不同黏均分子量、固含量對PAN初生纖維結構和性能的影響。凝固浴溫度能夠影響初生絲條的雙擴散過程，能夠影響初生纖維截面形狀;隨著牽伸倍數(shù)的提高，初生纖維結晶度、晶粒尺寸和沸水縮率逐漸增長，分子鏈緊密排列，微孔尺寸和數(shù)量降低，初生纖

3、維的纖度降低、拉伸強度增大、斷裂伸長率升高，同時其相應的離散系數(shù)也變小;隨著黏均分子量和原液固含量的增加，紡絲原液中PAN分子鏈的纏結點密度增加，原液黏度升高，初生纖維纖度減小，拉伸強度升高。固含量較高的紡絲原液對干噴濕紡工藝制備優(yōu)質初生纖維有利。
　　研究了干噴濕紡過程中各階段PAN纖維微觀結構，以及結晶結構對PAN原絲的力學性能和熱性能的影響。干噴濕紡制備的PAN纖維表面光滑、雜質少、表面缺陷較少。在原絲制備過程中，PAN纖維

4、的晶粒尺寸升高、結晶度呈上升趨勢，結晶結構隨之完善，其中，牽伸能夠提高結晶度，致密化和熱定型能夠增進晶粒生長;隨著紡絲的進行，PAN纖維纖度減小，致密性提高，拉伸強度升高，斷裂伸長率降低。原絲的晶體結構對其力學性能和熱性能有重要的影響，結晶結構越完善，對原絲的力學性能越有益，預氧化過程中的環(huán)化反應越難發(fā)生，反應的起始溫度趨于高溫，而且能夠預防PAN分子鏈熱分解。
　　利用HRTEM表征PAN纖維微觀結構，利用環(huán)氧樹脂對紡絲各階段P

5、AN纖維進行包埋，采用超薄切片技術，得到與纖維軸向相垂直的橫向切片和相平行的縱向切片，切片厚度為50-70nm，有利于電子束穿透纖維切片。其中，環(huán)氧樹脂只起固定纖維的作用，對圖像襯度沒有增強效果。初生纖維內部組織是片層結構，片層垂直于纖維軸向排列，片層之間的孔隙較多;在凝固浴預牽伸階段，開始出現(xiàn)微原纖結構，微原纖平行于纖維軸向排列，在多級牽伸和致密化后，微原纖排列更為緊密，微原纖之間并不是平行排列，微原纖之間會有交錯、纏繞，微原纖的直徑