PAN纤维凝固和预氧化过程的尺寸效应研究

论文摘要

实现原丝及碳纤维的细旦化是提高碳纤维强度的重要途径之一。实现原丝的细旦化有三种途径：一是采用较小的固含量,二是采用孔径较小的喷丝板,三是对纤维实施较大程度的拉伸。在PAN基碳纤维制备过程中,丝条的凝固过程是聚丙烯腈湿法纺丝过程中最基本、最关键的环节,原丝的预氧化也是决定最终碳纤维性能的关键步骤之一。这两个过程都涉及因传质而发生的扩散,而扩散都必须考虑纤维的尺寸问题。本论文通过改变喷丝板孔径和凝固牵伸的方法制得不同纤度的PAN原丝,并对三种不同纤度的原丝进行了预氧化实验。用FTIR、 DSC、XRD等测试手段进行定量表征,扫描电镜、光学显微镜等测试手段进行定性表征,初步建立了孔径效应对PAN初生纤维凝固过程中结构和性能的影响规律和纤度对PAN纤维预氧化过程中的结构和性能的影响规律,为实现PAN原丝和碳纤维的细旦化提供理论参考。此外还对凝固牵伸对初生纤维的影响做了研究,以及对PAN纤维的预氧化过程中的某些问题进行了研究,并得出某些重要结论。实验结果表明：喷丝板孔径降低时,初生纤维的结晶度增大,晶粒尺寸减小,密度增大,表面沟槽减少、变浅,表面相对光滑,芯部结构较致密,有利于实现原丝的细旦化；凝固牵伸增大时,初生纤维的结晶度先减小后增大,密度的变化趋势与结晶度的相同,晶粒尺寸的变化趋势与结晶度相反,表面沟槽加深、增多,沿纤维轴向取向度增加,纤维芯部结构较致密：预氧化中后期出现的皮芯结构中的外皮对氧气的阻碍作用既有“物理”上的阻碍,又有“化学”上的阻碍；表征PAN纤维预氧化程度的FTIR法的相对环化率适用于预氧化反应的前期,DSC法的环化度适用于预氧化反应的后期,XRD法的芳构化指数适用于预氧化反应的中前期；在预氧化后期,在同样的预氧化温度下纤度较小的PAN纤维发生了更多的氧化反应,具有较高的相对环化率和略高的密度,纤度较小的预氧化纤维具有较小的芯,相对容易获得均质结构,有利于实现碳纤维的细旦化和均质化。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 碳纤维简介
• 1.2 碳纤维的历史与发展
• 1.3 PAN基碳纤维的性能
• 1.4 聚丙烯腈（PAN）基碳纤维的制备
• 1.4.1 纺丝原液的制备
• 1.4.2 纺丝
• 1.4.3 PAN原丝结构特征
• 1.4.4 湿法纺PAN原丝凝固过程
• 1.4.4.1 湿纺凝固条件对PAN初生纤维与原丝结构和性能的影响
• 1.4.5 PAN纤维预氧化过程
• 1.4.5.1 PAN纤维在预氧化阶段的化学反应
• 1.4.5.2 预氧化工艺
• 1.4.5.3 PAN纤维预氧化过程中的结构变化
• 1.4.6 PAN纤维炭化过程
• 1.4.6.1 炭化结构的形成
• 1.4.6.2 影响炭化过程的因素
• 1.5 PAN基碳纤维结构
• 1.5.1 条带模型
• 1.5.2 微原纤结构模型
• 1.5.3 皮芯结构模型
• 1.5.4 三维结构模型
• 1.5.5 理想结构模型
• 1.6 PAN原丝和碳纤维直径与其性能的关系
• 1.7 论文选题的立论、目的和意义
• 1.8 本课题的主要研究内容
• 第二章 实验部分
• 2.1 主要原料
• 2.1.1 主要试剂
• 2.1.2 原丝
• 2.2 实验设备和方法
• 2.2.1 聚丙烯腈原液制备
• 2.2.2 聚丙烯腈凝固丝收取
• 2.2.3 PAN原丝预氧化工艺设备及实验条件设定
• 2.3 实验测试与表征
• 2.3.1 红外光谱分析（FTIR）
• 2.3.2 差示扫描量热分析（DSC）
• 2.3.3 结晶度和微晶尺寸测定
• 2.3.4 凝固丝纤维表面及截面形态观察
• 2.3.5 预氧丝皮芯结构测定及方法
• 2.3.6 线密度和体密度测定
• 2.3.7 纤维直径的测定
• 第三章 结果与讨论
• 3.1 凝固过程孔径、张力因素对初生纤维微结构和性能的影响
• 3.1.1 孔径因素对PAN初生纤维微结构和性能的影响
• 3.1.1.1 孔径因素对PAN初生纤维聚集态结构的影响
• 3.1.1.2 孔径因素对PAN初生纤维表面形态的影响
• 3.1.1.3 孔径因素对PAN初生纤维截面形态的影响
• 3.1.1.4 孔径因素对PAN初生纤维密度的影响
• 3.1.1.5 孔径因素对PAN初生纤维直径的影响
• 3.1.1.6 孔径因素对PAN原丝直径的影响
• 3.1.1.7 孔径因素对PAN原丝晶区取向的影响
• 3.1.2 凝固张力对PAN初生纤维微结构和性能的影响
• 3.1.2.1 凝固张力对PAN初生纤维聚集态结构的影响
• 3.1.2.2 凝固张力对初生纤维表面的影响
• 3.1.2.3 凝固张力对纤维截面的影响
• 3.1.2.4 凝固张力对初生纤维密度的影响
• 3.1.2.5 凝固张力对初生纤维直径的影响
• 3.1.2.6 凝固张力对原丝直径的影响
• 3.1.2.7 凝固张力对原丝晶区取向度的影响
• 3.2 PAN纤维预氧化过程尺寸效应研究
• 3.2.1 预氧化过程中PAN纤维分子结构的变化
• 3.2.2 预氧化过程中PAN纤维热行为的变化
• 3.2.3 预氧化过程中PAN纤维聚集态结构的变化
• 3.2.4 预氧化过程中PAN纤维皮芯结构的变化
• 3.2.5 预氧化纤维相对环化率、环化度、芳构化指数与密度的相关性
• 3.2.6 尺寸效应对PAN纤维热行为的影响
• 3.2.7 尺寸效应对PAN纤维预氧化反应分子结构的影响
• 3.2.8 尺寸效应对PAN纤维预氧化过程晶体结构的影响
• 3.2.9 尺寸效应对PAN纤维预氧化过程皮芯结构的影响
• 3.2.10 尺寸效应对PAN预氧化纤维密度的影响
• 第四章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 研究成果及发表的学术论文
• 作者简介
• 导师简介
• 附件