聚丙烯腈基碳纤维原丝、预氧丝取向结构及理论模型研究
作为制备高性能碳纤维前驱体之一的聚丙烯腈(Polyacrylonitrile-PAN)纤维，由于其生产工艺简单、产品的综合性能优良，被认为是当今制造碳纤维的最常见和最重要的原丝。因此，研究PAN原丝的微观结构与力学性能之间的关系，从而确定出原丝制备的最佳工艺条件；探讨原丝在预氧化过程中其内部微观结构以及由此引起的宏观性能改变，为预氧化工艺生产条件的改进提供理论依据，对于改善和提高国产聚丙烯腈基碳纤维的质量有着重要意义。
本研究运用粉末X-射线衍射法、极图法、二维X射线照相、扫描电子显微镜、傅立叶变换红外、声速法等微观结构和取向的表征手段以及力学性能测试，对聚丙烯腈原丝及预氧丝的微观结构与力学性能间关系进行了系统的实验和理论模型研究。研究结果表明：聚丙烯腈原丝的微观取向结构对其力学性能有很大的影响，可进一步影响到其成品碳纤维的品质；原丝表面存在多种形态的各种缺陷，这些缺陷将“遗传”给碳纤维，造成最终产品碳纤维的力学性能的下降，因而应最大限度地减少缺陷数目和减小缺陷尺寸；由X-射线衍射法得到的极图能更直观地表达出聚丙烯腈原丝的分子链沿拉伸方向的取向程度，拉伸程度越大，取向也更为集中；由声速法得出的取向度与Crawford和Kolsky模型推导出的理论曲线进行比较，两者能够很好的吻合；原丝的杨氏模量、断裂强度等力学性能随着拉伸倍数的增加而增加，对原丝的适度拉伸，可使其力学性能有所提高，但当总拉伸比大于8时，原丝的取向增加变缓，因此，总拉伸比确定在6-8之间较佳。
同时，本研究还探讨了PAN原丝在连续预氧化过程中氧化丝结构变化及与性能的关系。研究结果表明，在PAN纤维的预氧化过程中，随着热处理温度的升高，纤维在2θ=16.5°的固有衍射强度逐渐减弱以至最后消失，2θ=25.5°附近显示出新的衍射强度且其强度逐渐增加，表明了旧的序态结构逐渐遭到破坏，并形成了新的序态结构。
本研究采用芳环化指数AromaticIndexA.I.、反应程度参数ExtendofReaction-EOR来定量的表示预氧丝预氧化程度，研究发现随着预氧化温度的升高，反应程度增加，纤维的A.I.、EOR值均有所增加；采用显微红外二向色性法来研究预氧丝的取向结构变化，发现随着预氧化程度的加深，纤维中分子链沿纤维轴向取向程度下降，纤维样品的力学性能稍有降低。
聚丙烯腈纤维;碳纤维;预氧化工艺;极图法;取向结构;理论模型;力学性能;预氧丝;原丝
北京化工大学
硕士
材料学
吴丝竹
2006
中文
TQ342.742;TQ342.3
77
2006-11-17（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）