PAN纤维直径对预氧化工艺及碳纤维结构性能的关联性研究
聚丙烯腈(PAN)纤维是现阶段制备高性能碳纤维最主要的前驱体之一，原丝质量是影响最终碳纤维性能的关键因素。目前国产PAN纤维的质量有了很大的提高，PAN基碳纤维的性能与国外通用级产品相当，但是碳纤维产品性能的稳定化还有待于提高。本文采用了X射线衍射分析仪(WAXD)、密度梯度柱和差示扫描量热分析仪(DSC)等仪器对国产的五种不同直径的12K PAN纤维进行结构和热性能进行表征，对比分析直径的差异对PAN纤维的微观结构和活化能的影响。对PAN纤维进行预氧化工艺探究，利用DSC、密度、红外光谱分析(FTIR)、元素分析(EA)、WAXD、力学性能、扫描电镜(SEM)、拉曼光谱(Raman)等表征手段对PAN预氧化纤维和碳纤维的结构和性能进行测试，研究了预氧化过程中PAN纤维的化学结构的演变规律，并探究了各阶段预氧化温度对碳纤维力学性能的影响;系统研究了预氧化中后期时间的变化对PAN纤维化学反应速率和预氧化程度的影响，以及对最终碳纤维结构性能的影响;对两种不同直径PAN纤维在两种预氧化工艺条件下分别进行预氧化碳化处理，研究了直径的差异导致的预氧化过程中化学反应速率的不同、预氧化程度的差异、预氧化时间的依赖程度和对最终碳纤维结构性能的影响。 结果表明:直径的差异对PAN纤维的结构性能有一定的影响，随着直径的减小，PAN纤维的微观结构和反应活化能呈现一定的规律，结晶度逐渐增大、晶粒尺寸减小、体密度逐渐增加、化学反应的活化能逐步变大。直径的减小可以提高PAN纤维分子链的规整度，微观结构更加均质化。相对于较粗直径的PAN纤维，直径较细的PAN纤维由于其分子链规整度较高，化学反应活化能较高，所以需要在较高的预氧化起始温度才可以引发环化反应，不同直径的PAN纤维的预氧化终止温度相差不大。 PAN纤维的预氧化过程可以分为两个阶段:环化反应阶段和氧化反应阶段。PAN纤维在220～250℃之间环化反应最剧烈，相对环化度增加较快;250℃以后环化反应趋势变缓，PAN纤维主要发生氧化反应，氧元素参与官能团间的互变异构过程。预氧化起始温度和终止温度对PAN纤维的化学反应程度和最终碳纤维的力学性能影响较大;预氧化中期的温度变化对碳纤维的力学性能影响较小。预氧化中后期PAN纤维内部环化反应速率变缓、芳构化反应加快，预氧化时间过长会导致PAN纤维过度预氧化，容易导致碳纤维结构缺陷，不利于碳纤维结构性能的提高。随着预氧化时间的降低，碳纤维的d002减小，Lc和La尺寸增大，孔隙率也随之降低，碳纤维的结构规整度和石墨化度较高。对于实验所用PAN纤维，当预氧化中后期的时间控制在30min左右时，此时预氧化纤维的密度为1.3745g/cm3，氧元素含量为9.8％，经过碳化处理后制得的碳纤维的体密度达到了1.7913g/cm3，碳纤维的拉伸强度达到了5.12GPa。 在相同的预氧化工艺条件下，相对于较粗直径的PAN纤维，直径较细的PAN纤维的环化反应速率更大，预氧化反应更加充分。降低PAN纤维直径使其对应的碳纤维的微观晶面间距小、晶面尺寸较大，碳网层面的规整度更高，石墨化程度也较高，碳纤维表面和内部的孔洞等缺陷导致的孔隙率较低，拉伸强度更大。粗直径的PAN纤维需要较长时间的预氧化时间，降低PAN纤维的直径可以降低预氧化时间，有利于制备出高性能的PAN基碳纤维。
碳纤维;聚丙烯腈基;直径尺寸;预氧化工艺;孔隙率;拉伸性能
北京化工大学
硕士
材料工程
刘杰;连峰
2016
中文
TQ342.742
92
2017-01-03（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）