PAN纖維直徑及梯度升溫預(yù)氧化與碳纖維結(jié)構(gòu)性能的關(guān)聯(lián)性研究.pdf

1、從兩個(gè)角度研究提高聚丙烯腈（PAN）基碳纖維力學(xué)性能，一是從PAN原絲入手，改善原絲結(jié)構(gòu)，能夠制備高性能碳纖維的原絲必須具有良好結(jié)構(gòu)基礎(chǔ);二是從預(yù)氧化、碳化工藝入手，優(yōu)化工藝，以減少結(jié)構(gòu)缺陷，完善各反應(yīng)階段纖維結(jié)構(gòu)。本文使用兩種直徑不同的國(guó)產(chǎn)濕法PAN原絲(12K)，通過(guò)自主設(shè)計(jì)的連續(xù)化實(shí)驗(yàn)線進(jìn)行預(yù)氧化、碳化實(shí)驗(yàn)，利用密度、拉伸強(qiáng)度等力學(xué)性能測(cè)試以及DSC、FTIR、EDS、Raman等物理化學(xué)結(jié)構(gòu)分析方法，對(duì)四段梯度升溫預(yù)氧化、六段梯

2、度升溫預(yù)氧化工藝中過(guò)程纖維的反應(yīng)程度和結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行分析，探究梯度升溫溫區(qū)設(shè)置和溫度變化對(duì)纖維密度和碳纖維拉伸強(qiáng)度的影響，對(duì)比分析兩種預(yù)氧化工藝的特點(diǎn)以及六段梯度升溫預(yù)氧化工藝的優(yōu)勢(shì);研究了組分相同、直徑不同的兩種PAN原絲結(jié)構(gòu)以及在相同預(yù)氧化、碳化工藝下反應(yīng)程度的差異，著重分析兩種預(yù)氧化纖維徑向結(jié)構(gòu)差異，并結(jié)合最終碳纖維的結(jié)構(gòu)及性能進(jìn)行對(duì)比。
　　PAN原絲分析結(jié)果表明，直徑較細(xì)的原絲具有結(jié)晶度高、取向度高、分子鏈規(guī)整度高、微晶尺

3、寸小的特點(diǎn)，賦予其較高的反應(yīng)活化能以及較高的起始放熱溫度，體現(xiàn)出PAN原絲細(xì)旦化、細(xì)晶化的特點(diǎn)。
　　利用濕法PAN原絲進(jìn)行連續(xù)化實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，六段梯度升溫預(yù)氧化工藝具有較低的預(yù)氧化起始和終止溫度和更多的溫度梯度，纖維在預(yù)氧化前期反應(yīng)程度較低，最終預(yù)氧化纖維相對(duì)環(huán)化度、氧含量略低于四段梯度升溫預(yù)氧化，但是由于多段溫區(qū)設(shè)置及較低的反應(yīng)溫度，使反應(yīng)較為平緩，緩解了放熱集中現(xiàn)象，有利于預(yù)氧化纖維結(jié)構(gòu)的完善，最終碳纖維密度較高（1.78

4、83g/cm3）、結(jié)構(gòu)較為完善，力學(xué)性能較高(4.90GPa)，且除終止溫度外，碳纖維力學(xué)性能對(duì)其他溫區(qū)溫度變化相對(duì)不敏感，說(shuō)明六段梯度升溫預(yù)氧化工藝對(duì)于各階段反應(yīng)具有較好的可控性。
　　通過(guò)兩種直徑PAN原絲在相同制備工藝下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，直徑較細(xì)的PAN原絲預(yù)氧化前期相對(duì)環(huán)化度較低，后期趨于相同，且各階段氧含量較低，但預(yù)氧化纖維徑向氧元素分布、徑向有序度分布更加均勻，皮芯結(jié)構(gòu)較小，減少了缺陷的產(chǎn)生，且繼承了PAN原絲取向度高的