张力对聚丙烯腈不熔化过程的影响

摘要

不熔化过程是碳纤维制备过程中的重要步骤，在此过程中施加张力可以有效抑制分子链解取向。现阶段对于不熔化过程中张力的研究大多通过在某一温度区间内施加不同张力，考察张力对不熔化纤维结构与性能的影响，但对于张力是如何影响不熔化过程中的环化和氧化反应还缺乏明确的认识。不熔化反应需要在梯度升温的过程中才能进行完全，而且反应的前后阶段相互影响，氧化反应和环化反应也相互影响。因此只有通过连续化的实验，在整个不熔化反应过程中分段施加不同的张力，并将氧化和环化反应分离开来，才能明确认识张力对不熔化中结构变化和对不熔化反应的影响。
　　本研究使用自主设计制造的不熔化处理设备，进行连续的不熔化实验。在不同的温度段施加不同的张力，并且在空气和氮气两种气氛中进行对比实验，得到一系列不同不熔化程度的纤维。利用傅里叶红外光谱(FT-IR)、差示扫描量热法(DSC)、广角X射线衍射(WAXD)、体密度等测试手段对不熔化纤维的结构与性能进行表征。研究了在不同温度段中张力对纤维取向度、结晶度和晶粒参数，以及环化和氧化反应的影响，最后制得了性能较好的碳纤维。研究发现:
　　当不熔化反应温度在175-218℃时，由于温度较低化学反应进行程度较小，空气和氮气中张力对结构变化的影响相似。张力的主要作用在于抑制非晶区分子链解取向和提高晶区的取向，从而提高纤维的整体取向度，同时晶粒尺寸和结晶度随张力增大而增大。张力对环化反应的影响则通过改变非晶区氰基间的距离，使得纤维在合适的张力下，有相对较高的环化度，过大或过小的张力都不利于环化度的提高。空气中随着张力的增大，纤维中氧含量减少，沿径向方向的氧梯度增大。
　　随着不熔化反应的进行，在226-232℃时，氮气中环化反应已经扩展至晶区，整体取向度随张力增大呈现出先增大后减小的趋势，但是晶区的取向度和结晶度均随张力的增大而减小。张力从300cN增大至500cN时，张力的增大有助于降低氰基环化反应活化能，所以环化度随张力增大而增大，而当张力继续增加时，由于分子链间产生滑移张力作用减弱，环化度随张力增大而降低。在空气中环化反应速度较慢，在这一阶段晶区结构大部分得以保留，纤维取向度和环化度随张力变化的规律与前一阶段类似。由于环化反应和氧化反应的竞争性，环化度较高时，氧含量较少氧梯度较大。
　　当不熔化反应进行至238-270℃时，晶区大部分被破坏，在氮气中环化度随张力的增大而增加，此时张力增大有利于线型的分子结构向平面型的类芳香环结构转化。在空气中，随着张力的增大，纤维的整体取向度继续增加，同时氧含量和氧梯度都随张力的增大而增大。
　　综上规律，在不熔化初期施加较大张力抑制分子链解取向，中后期施加合适的张力促进环化度的提高，同时考虑张力对取向度、氧含量及缺陷的影响，研究了优化不熔化条件下的碳纤维性能。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 碳纤维发展概述

1．2 PAN基碳纤维的生产过程

1．3 聚丙烯腈纤维不熔化的影响因素

1．4 本课题研究主要内容和意义

参考文献

第二章 实验部分

2．1 实验原料及试剂

2．2 实验样品制备

2．3 测试与表征

第三章 张力对不熔化过程中纤维取向与结晶度的影响

3．1 前言

3．2 不熔化过程中张力对纤维取向度的影响

3．3 不熔化过程中张力对纤维结晶度的影响

3．4 本章小结

参考文献

第四章 张力对不熔化中化学反应的影响

4．1 前言

4．2 张力对不熔化过程中化学结构的影响

4．3 张力对环化反应的影响

4．4 张力对氧化反应的影响

4．5 最终碳纤维的性能

4．6 小结

参考文献

第五章 结论

科研成果

致谢