高取向度碳纤维原丝制备工艺研究进展

碳纤维原丝的性能好坏在很大程度上决定着碳纤维的最终性能。缺陷少、细旦化、高取向、高纯化等是高性能原丝的基本要求。其中原丝的取向度在很大程度上决定了碳纤维在预氧化、碳化过程中形成的类石墨片层的取向结构，这会影响碳纤维最终的强度和模量，所以制备出高取向的碳纤维原丝具有重大意义。本文聚焦于高取向碳纤维原丝制备工艺，首先分析了高取向原丝的重要性，然后在原丝制备工艺上将纺丝方法以及牵伸工艺对取向度的影响进行总结分析，同时介绍了微积分纳米层叠法和高取向复合纤维原丝的制备工艺，指出优质的初生纤维以及具有稳定化取向排列的原丝是制备高取向碳纤维原丝的关键，以期对提升原丝的取向度进而提升碳纤维性能的研究有所贡献。     

聚丙烯腈基碳纤维的组织结构演变过程研究

用丙烯腈（AN）、衣糠酸（IA）、丙烯酸甲酯（MA）进行三元自由基溶液共聚合，经湿法纺丝制得聚丙烯腈（PAN）原丝，然后进行预氧化和碳化处理，并用SEM和TEM等分析方法跟踪过程中纤维微观结构的变化。结果表明：碳纤维的微观组织结构与原丝的微观组织结构密切相关，高强度、高取向度、结构均匀和弥散性好的原丝是获得高强度和高模量碳纤维的前提。     

STXM研究氧元素在PAN预氧化纤维截面上的分布

采用扫描透射X射线显微镜( STXM),对聚丙烯腈(PAN)预氧化纤维截面进行具有30 nm空间分辨率的元素分布研究,结合将两幅吸收图上对应像素点的光密度相比求解元素分布的双能衬度分析法,获得氧元素在PAN预氧化纤维截面上的分布信息.STXM实验结果表明,氧元素在PAN原丝截面上分布是均匀的;经过预氧化后,PAN纤维皮...     

液态丙烯腈低聚物修复聚丙烯腈基碳纤维微孔缺陷

提出一种全新的缺陷修复的方法,即将聚丙烯腈基(PAN)碳纤维T300在液态丙烯腈低聚物(LAN)中浸渍后,再进行预氧化和碳化热处理,可以将T300的拉伸强度提高25%.应用二维小角X射线散射(SAXS)法可以计算出LAN修复缺陷前后T300微孔缺陷的长度(L)、横截面尺寸(lp)、取向角(Beq)、相对体积(Vrel)的变化,结果表明碳纤维的拉伸性能越好,微孔的长度、取向角、相对体积含量越小.T300拉伸性能的提高是由于缺陷修复的结果.应用BET比表面积法、扫描电子显微镜(SEM)表征LAN修复缺陷前后T300的比表面积以及表面形貌的变化,结果表明,T300在LAN中浸渍并经过预氧化和碳化热处理,比表面积变小,表面缺陷明显减少.进一步验证LAN对碳纤维中的微孔缺陷具有修复作用.应用X射线光电子能谱(XPS)法表征LAN修复前后T300表面化学成分的变化,结果表明,LAN修复后含氧官能团(C―OH,C=O,HO―C=O)显著增加,有利于增强碳纤维与树脂基体之间的相互作用,从而提高碳纤维的力学性能.     

聚丙烯腈基碳纤维预氧化过程组成结构的演变

采用扫描电子显微镜、X射线衍射结构分析、裂解色谱-质谱、红外光谱等手段,探索了聚丙烯腈(PAN)基碳纤维预氧化过程中组成及结构演变的规律.预氧化初期,PAN丝束结构消失,呈半融状.共聚体首先参加反应,酯类等消失,分子发生环状交联,环化指数缓慢增加.预氧化初期与中期为环化反应最激烈阶段,易使结构固定化,形成结构性缺陷,应加强前期牵伸.预氧化中期重排形成新的片块堆垛束状结构,并逐步向片状扇形发散结构转变,框架结构在预氧化后期趋于稳定.此阶段,由于羧酯共聚体的诱发逐步形成非常稳定的环状结构,单体、二聚体、三聚体明显减少.预氧化后期只剩下含?/FONT>CN基的碎片,最后?/FONT>CN碎片亦消失,环化指数随预氧化过程升高, 结构形貌不再发生大的变化.     

聚丙烯腈基碳纤维预氧化过程

采用扫描电子显微镜、X射线衍射结构分析、裂解色谱-质谱、红外光谱等手段,探索了聚丙烯腈(PAN)基碳纤维预氧化过程中组成及结构演变的规律.预氧化初期,PAN丝束结构消失,呈半融状.共聚体首先参加反应,酯类等消失,分子发生环状交联,环化指数缓慢增加.预氧化初期与中期为环化反应最激烈阶段,易使结构固定化,形成结构性缺陷,应加强前期牵伸.预氧化中期重排形成新的片块堆垛束状结构,并逐步向片状扇形发散结构转变,框架结构在预氧化后期趋于稳定.此阶段,由于羧酯共聚体的诱发逐步形成非常稳定的环状结构,单体、二聚体、三聚体明显减少.预氧化后期只剩下含-CN基的碎片,最后-CN碎片亦消失,环化指数随预氧化过程升高,结构形貌不再发生大的变化.     

流变和光学法研究PAN/DMSO/H_2O体系的凝胶化和相分离行为

碳纤维是非常重要的增强材料,在军工以及高档民用产品中用途广泛。因为聚丙烯腈原丝的结构会"遗传"到最终的碳纤维结构中,因此原丝结构对碳纤维的性能影响很大。原丝的结构是纺丝液在凝固浴中的相分离和凝胶化两个过程决定的,因此研究这两个过程的规律并进一步控制它们的进程,达到调控原丝结构的目的是非常重要的。本文介绍了本课题组利用流变学及光学的方法研究PAN/DMSO/H2O体系凝胶化及相分离行为的最新研究成果,主要探索了PAN/DMSO/H2O浓溶液中凝胶化行为,发现了二次自相似结构的形成并对其机理进行了分析,并对PAN/DMSO/H2O亚浓溶液中凝胶化与相分离的耦合过程进行了研究,分析了最终凝胶的结构特性及Winter-Chambon模型在此过程中的适用性。最后,对PAN/DMSO/H2O体系凝胶化及相分离行为的下一步研究进行了展望。     

升温速率对聚酰胺酸/聚丙烯腈基碳纤维结构的影响

采用聚酰胺酸/聚丙烯腈(PAA/PAN)为原材料制备共混前驱体,经热处理完成PAA的亚胺化和PAN的预氧化,再以一定的升温速率升温至1200℃,得到新型共混基碳纤维,采用SEM、Raman、XRD、EA等方法研究了不同的升温速率对PAA/PAN基碳纤维碳化结构的影响.结果表明,碳纤维表面沿纤维轴方向有少量的沟槽,这是湿法纺丝工艺造成的.1200℃的高温处理使碳元素富集,最终制得碳含量高于92%的碳纤维.随着碳化升温速率的增大,碳收率也在增大,最大碳收率达52.36%.碳纤维的石墨化程度和微晶尺寸随着碳化升温速率的提高均呈现先增大后减小的趋势,当升温速率为8 K/min时,所得纤维的碳化结构最为理想,微晶堆叠厚度达到1.445 nm,g(A_G/A_D)值达到0.52,此条件下,纤维的碳元素含量也达到了94.13%,电阻率最小.     

掺杂羧基化碳纳米管的纳米碳纤维前驱体的制备及表征

为获得结构完整、 性能优良的纳米碳纤维前驱体, 采用静电纺丝法制备了掺杂羧基化多壁碳纳米管(MWCNTs)的聚丙烯腈(PAN)纳米纤维. 用扫描电子显微镜、 偏振红外光谱、 透射电子显微镜、 拉曼光谱及拉伸性能测试等对杂化纳米纤维的微观结构和力学性能进行了研究, 分析了MWCNTs含量的影响. 实验结果表明, 5%(质量分数)的MWCNTs掺杂量为杂化纳米纤维直径的突变点, 且MWCNTs的加入有利于PAN分子链的取向, MWCNTs在PAN纤维中大体上沿纤维轴向取向分布. 3%MWCNTs/PAN杂化纳米纤维的拉伸强度和拉伸模量分别达到88.6 MPa和3.21 GPa.     

PAN预氧丝环化程度的定量表征

应用恒温定长方法制备聚丙烯腈(PAN)预氧丝, 并测量该预氧丝长周期多层结构的小角X射线衍射谱. 解析图谱发现, 经不同预氧化时间所得预氧丝的长周期L均为11.7 nm; 当预氧时间从20 min增加到210 min, 预氧丝中环化结构相的体积分数X0/L从7.9％增加到86.5％. 而应用广角X射线衍射法测得同批的预氧丝试样环化指数AI值则小很多. 因此, 用X0/L定量表征预氧丝环化程度更为严格准确.     

共聚单体对水相合成聚丙烯腈及其湿纺纤维结构与性能的影响

水相自由基聚合具有快速、高效的特点,是开发大规模、低成本的聚丙烯腈(PAN)基碳纤维原丝生产技术的首选工艺。本文采用该工艺制备了丙烯腈-衣康酸(P(AN-IA))和丙烯腈-醋酸乙烯酯(P(AN-VAc))两种共聚物,再经溶解和湿法纺丝将其制成纤维。采用傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR)、场发射扫描电子显微镜(SEM)、旋转流变仪、旋转粘度计、X-射线衍射仪(XRD)和差式扫描量热/热重同步分析仪(DSG/TG)对比研究了两种共聚单体对水相合成PAN聚合物及其湿纺纤维结构与性能的影响。结果表明,与醋酸乙烯酯(VAc)相比,衣康酸(IA)降低了PAN聚合物的颗粒团聚程度和溶液粘度,显著提高了PAN纤维的截面圆整度和结构致密性,大幅降低了热稳定化反应起始温度、提高了热稳定性。这主要归因于IA的两个羧基基团。其改善了PAN聚合物的亲水性,使凝固过程更加缓和;减弱了氰基间的作用力,提高PAN分子链的运动性;能够诱导氰基在低温下发生环化反应。     

静电纺聚丙烯腈纳米纤维晶态结构及取向的形成

采用新型流动水浴收集方式制备出连续单向排列的静电纺聚丙烯腈(PAN)纳米初生纤维,收集静电纺丝不同阶段的静电纺PAN纳米纤维,并在热水中进行后牵伸,使其伸长至原长的2倍、3倍.通过扫描电子显微镜(SEM)、广角X射线衍射(WAXD)等方法对静电纺丝过程不同阶段的PAN纳米纤维的形貌、直径、致密性、晶态结构及取向进行了表征.研究表明,(1)在静电纺丝过程中PAN纺丝液射流受到牵伸作用,静电纺PAN纳米纤维的晶态结构形成并逐渐完善.纳米纤维的直径随着静电纺丝过程逐渐减小(从664 nm减小至353 nm),结晶度从42.55％增加至47.76％,晶区取向由37.48％提高至43.93％.纳米纤维致密性也逐渐提高(密度由1.1917 g/cm3增加至1.1943 g/cm3).(2)静电纺丝过程进入PAN射流溶剂含量较低的阶段后,继续通过静电纺丝过程提高纳米初生纤维晶态结构及取向的效果很有限,而通过热水后牵伸过程可进一步使晶态结构及取向得到有效果的完善.研究同时发现,静电纺初生纤维的晶态结构及取向与其在热水牵伸过程中的进一步完善具有相关性.     

碳纤维负载Wacker催化剂的X-射线光电子能谱研究

研制了一种在常温下对一氧化碳氧化具有高活性多相的 Wacker催化剂。活性组份负载于经活化处理的聚丙烯腈基(PAN)的碳纤维上。PAN碳纤维经活化处理后表面上形成一些含氧官能团(-COOH,C=O,—OH),并使其比表面积增大到～1000m~2/go上述催化剂在常温下(20—40℃)对浓度为数千ppm的一氧化碳的氧化显示出良好的催化活性。     

NiSO_4改性对聚丙烯腈原丝及其碳纤维结构与性能的影响

碳纤维具有高比强度、高比模量、导电、耐热、自润滑等优异的综合性能,在纤维增强复合材料中得到了广泛的应用.可制备碳纤维的前驱体有人造丝、沥青、聚丙烯腈纤维、木质素、聚乙烯纤维、聚苯并噻唑(PBO)纤维等.但大多数高强碳纤维目前仍然是由聚丙烯腈纤维制备的,同时,许多工作都集中在更进一步提高碳纤维的机械性能.特别是在我国, 碳纤维质量与某些发达国家相比,还有较大的差距,急需解决的问题就是如何尽快研制出高力学性能的碳纤维.采用氨基硅氧烷、脂肪族羧酸[1]、CuCl[2]、KMnO 4[3]、CoCl2[4]等有机或无机化学试剂对聚丙烯腈原丝进行化学处理, 以改进最终碳纤维的结构与性能是一种有效的方法.国内在这方面的研究还很少.文献[1 ～4]中所采用的方法都是利用商业聚丙烯腈原丝在碳化前进行洗油、浸渍、洗涤烘干处理 ,增加了碳纤维制备的工序,同时,原丝损伤较大,在连续生产中难以适用.我们在原丝连续制备的同时采用NiSO4溶液浸渍处理聚丙烯腈纤维,本文主要研究了采用NiSO4浸渍改性后聚丙烯腈原丝及其碳纤维的结构与性能.研究表明,采用NiSO4在线浸渍改性聚丙烯腈原丝,生产工艺简单,且能有效地改进最终碳纤维的结构与性能.     

纺丝法制备木质素基碳纤维的研究进展

目前全球制备碳纤维主要以聚丙烯腈(PAN)或沥青为原丝,但是这类碳纤维制备成本高,限制了其自动化工业领域的大规模应用。木质素由于具有较高的含碳量和碳化收率高,其可以作为前驱体来制备碳纤维。作为一种新型材料,木质素基碳纤维因其具有价格低廉、环保、原料丰富、可实现废弃资源再生利用等优点而备受关注。本文详细介绍了木质素的分类及结构特征,阐述了不同纺丝方法制备的碳纤维的力学性能,并对其未来发展进行展望。     

氧化石墨烯接枝碳纤维新型增强体的制备与表征

利用“Grafting-to”化学修饰法制备氧化石墨烯接枝国产碳纤维新型增强体。利用红外光谱、X射线光电子能谱和原子力显微镜对样品的官能团和表面形貌进行表征;利用接触角测量、单丝拉伸方法研究了接枝前后纤维单丝的润湿性能及拉伸强度,并通过微脱粘法分析了其复合材料的界面剪切强度。结果表明：氧化石墨烯的接枝修饰使国产碳纤维表面粗糙度提高了166%,表面能提高了46.3%,拉伸强度提高了7.8%,复合材料的界面剪切强度提高了111.7%。     

聚丙烯腈基碳纤维及其原丝中的微孔尺寸分布

利用二维小角X射线散射技术(SAXS)研究了聚丙烯腈基碳纤维及其原丝的微孔结构。结合逐级切线法、对数正态分布及麦克斯韦分布函数对2类实验样品内部微孔的尺寸分布进行了分析。结果表明,2类样品中的孔结构具有显著差别,原丝微孔在4~8 nm范围内分布比较集中,碳纤维中微孔的分布区域则移向1.3~1.8 nm。散射数据显示出明显的分形特征,碳纤维与其原丝的孔分形维数分别为1.33和1.55,表明原丝中具有较大的孔隙缺陷。相对于原丝,碳纤维微孔尺寸分布走向均匀和集中,前者则表现出比后者更宽的尺寸分布。就拟合方法而言,逐级切线法的解析手段容易引入误差,低角区的纤维表面散射和高角区的噪音容易对其结果造成影响。正态分布得到了比较窄的尺寸分布,但对于低尺寸区域孔隙的拟合不理想。麦氏分布在一定程度上弥补了以上不足,能够较好地拟合两类纤维样品中微孔的分布状况。     

扫描电子显微镜研究聚丙烯腈纤维的织态结构和缺陷

<正> 碳纤维的性能与所用原料聚丙烯腈(PAN)纤维的质量有密切关系.特别是PAN纤维的织态结构(包括各级的超分子结构)及其缺陷对碳纤维的结构和性能有很大影响.PAN纤维的结构特征与纺丝工艺条件有密切关系.但用扫描电子显微镜(SEM)研     

聚丙烯腈基碳纤维中微孔洞的一维多取向小角X射线散射研究

应用一维多取向小角X射线散射(SAXS)方法研究了聚丙烯腈(PAN)基碳纤维中微孔洞的形态.结果表明,这些微孔洞沿纤维轴方向呈针状,并与纤维轴呈Φ=14°角的取向排列;微孔洞投影在碳纤维横截面上的平均半径R=1.14nm,投影在碳纤维轴向上的平均长度L=17.97nm.建立的一维多取向SAXS方法可以得到若干二维SAXS方法才能得到的微孔洞形态及分布信息等参数(如Φ和L),且在各种纤维的微孔洞或微纤维的表征方面具有一定的普适性.     

涤纶高速纺预取向丝的动态力学性质研究

本文对1500—5000米/分纺速的PET预取向丝进行动态力学试验,其α内耗峰表现为三种情况:α_1、α_2单峰及介于这两者之间的α_1、α_2峰的速加峰。这反映了随纺速增加,预取向丝非晶态结构从自由非晶态-双重非晶态-网络间非晶态的结构变化。 为了把预取向丝的分子运动与纤维成形、结构与力学性质联系起来,我们引入了分子运动参数ψ,并定义ψ=H_(max)~?W~(-b)T_(max)~(-c)。实验结果表明,分子运动参数甲与其结构参数、力学性质有很好的相关性。