PAN成纤—晶态结构—预氧化结构相关性研究

论文摘要

聚丙烯腈（PAN）原纤、原丝、预氧纤维到碳纤维的结构逐步形成、演变,与其在制备过程所经历的外场环境有关,其微观结构影响碳纤维的宏观性能。结晶结构作为PAN纤维多级结构的一种,其形成及对纤维性能及后续反应的影响,是一直受到关注的研究课题。PAN原丝的结晶度和晶粒尺寸与纺丝工艺相关,本文通过改变成型、成纤条件,获得不同晶态结构特点的PAN原丝并对其进行预氧化处理,采用XRD衍射表征PAN纤维的结晶度和晶粒尺寸,体密度和扫描电子显微镜表征PAN纤维的形态结构,红外光谱法表征PAN纤维的化学结构,紫外光谱法表征PAN纤维的溶解性,DSC表征PAN纤维的热性能,万能材料试验机测试PAN原丝的应力-应变曲线。通过研究成纤过程形成的不同特点的PAN原丝晶态结构及对原丝性能的影响、对预氧化结构的影响,最终揭示PAN成纤条件与原丝晶态结构及预氧化进程的相关性。研究结果表明：1、聚丙烯腈浓溶液通过传热与传质发生相分离形成聚丙烯腈纤维。低温凝固成纤以传热为主,形成的初级凝胶网络结构物理交联点多,PAN纤维结晶度较大,晶粒尺寸较小；高温凝固成纤以传质为主,凝固剂水的扩散力使得PAN纤维结晶度较小,晶粒尺寸较大。受热力耦合作用,一级牵伸提高,PAN纤维结晶度增大,但由于一级牵伸的温度相对较低,晶粒尺寸增长甚微。总牵伸一定,一二级牵伸匹配不同,结晶度变化不大,但随着二级牵伸倍数的增大,受高温和小分子增塑作用影响,晶粒尺寸增长明显。2、PAN原丝的结晶结构影响原丝的性能：结晶度小的PAN原丝,由于其结构对链段的束缚力较小,随应力的增大,应变较大；结构疏松,体密度较小,易于溶解；有利于氧的扩散,促进环化反应和初期氧化反应,预氧化反应程度较高；在60℃-160℃的温度区间,由于非晶区向晶区的转变较多,热焓值较大。晶粒尺寸小的PAN原丝,随应力的增大,应变较大。3、PAN原丝的结晶结构影响预氧化反应及预氧化进程：结晶度小的PAN原丝在预氧化进程中,每个阶段的PAN纤维相对环化率和芳构化指数都较高,其总体放热量较低,反应缓和。结晶度相差不大而晶粒尺寸大的PAN原丝,相对环化率较小,芳构化指数变化不大,其总体放热量较低,反应缓和。原丝结晶度的差异对预氧化过程中晶粒尺寸的变化起决定性作用,结晶度大的PAN原丝到预氧化后期还能保持较大的晶粒尺寸通过以上研究,揭示了PAN成纤—晶态结构—预氧化结构的相关性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 聚丙烯腈基碳纤维
• 1.1.1 聚丙烯腈基碳纤维简介
• 1.1.2 聚丙烯腈基碳纤维的制备
• 1.1.3 聚丙烯腈基碳纤维的研究现状和展望
• 1.2 聚丙烯腈原丝
• 1.2.1 聚丙烯腈的分子链结构
• 1.2.2 聚丙烯腈纤维的晶态结构
• 1.2.3 聚丙烯腈纤维的取向结构
• 1.2.4 聚丙烯腈纤维的形态结构
• 1.3 聚丙烯腈聚合及原丝的制备
• 1.3.1 聚丙烯腈聚合
• 1.3.2 聚丙烯腈原丝的制备
• 1.4 聚丙烯腈预氧化过程中的结构演变
• 1.4.1 预氧化过程中的化学反应
• 1.4.2 预氧化过程中的物理变化
• 1.5 论文选题的目的和意义
• 第二章 实验部分
• 2.1 实验方案
• 2.2 实验样品
• 2.2.1 聚丙烯腈原丝样品
• 2.2.2 聚丙烯腈预氧化纤维样品
• 2.3 样品测试和表征方法
• 2.3.1 结晶度与晶粒尺寸测试
• 2.3.2 红外光谱分析
• 2.3.3 热分析
• 2.3.4 紫外光谱分析
• 2.3.5 扫描电镜（SEM）分析
• 2.3.6 光学显微镜分析
• 2.3.7 体密度测试
• 2.3.8 应力-应变曲线测试
• 第三章 结果与讨论
• 3.1 成纤条件对PAN纤维晶态结构的影响
• 3.1.1 PAN纤维晶态结构的形成与演化
• 3.1.2 传热、传质对PAN纤维晶态结构的影响
• 3.1.3 热力耦合对PAN纤维晶态结构的影响
• 3.1.4 牵伸匹配对PAN纤维晶态结构的影响
• 3.1.5 成纤条件影响晶态结构的机理分析
• 3.2 晶态结构对PAN原丝性能的影响
• 3.2.1 晶态结构对PAN原丝应力-应变曲线的影响
• 3.2.2 晶态结构对PAN原丝热性能的影响
• 3.2.3 晶态结构对PAN原丝溶解性能的影响
• 3.2.4 晶态结构对PAN原丝体密度的影响
• 3.3 晶态结构对PAN原丝预氧化进程的影响
• 3.3.1 结晶度对PAN原丝预氧化进程的影响
• 3.3.2 晶粒尺寸对PAN原丝预氧化进程的影响
• 3.3.3 晶态结构影响PAN原丝预氧化进程的机理分析
• 3.4 PAN成纤—晶态结构—预氧化结构的相关性
• 第四章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 研究成果及已发表的论文
• 作者简介
• 导师简介
• 硕士研究生学位论文答辩委员会决议书