预氧化过程中PAN纤维皮芯结构的变化

借助红外测试(FT-IR)、元素分析(EA)、扫描量热分析(DSC)和扫描电子显微镜(SEM)系统研究了五种聚丙烯腈(PAN)纤维在预氧化过程中纤维皮芯结构的变化、差异、规律及其与热化学反应、结构变化的关联。结果表明:预氧化过程中PAN纤维皮芯比的变化与纤维组成、结构和致密性等化学与物理性质密切相关。在一定预氧化条件下,皮芯比的变化与纤维热化学反应特性的差异、直径收缩率和密度的变化存在良好的对应关系。最终预氧化纤维的皮芯比与炭纤维的力学性能密切相关。

碳纤维表面电化学氧化的研究

主要采用电化学氧化法对聚丙烯腈 (PAN)基碳纤维进行连续氧化处理 ,利用扫描电子显微镜 (SEM )、X射线光电子能谱 (XPS)和动态力学热分析 (DMTA)对碳纤维表面处理效果进行了研究。SEM表面形貌研究结果表明 ,碳纤维经电化学氧化处理后 ,其表面的粗糙度和比表面积增大。XPS表面化学分析表明 ,经电化学氧化处理后的碳纤维表面羟基含量提高 5 5 % ,活性碳原子数增加 1 8%。DMTA谱图表明经电化学氧化处理的碳纤维增强树脂基复合材料 (CFRP)其玻璃化温度 (Tg)提高 5℃、损耗角正切 (tanδ)较未处理的降低 30 %。定量计算出的界面黏结参数A和α与CFRP的层间剪切强度 (ILSS)所反映的碳纤维与树脂间界面黏结效果是一致的。研究结果表明 ,采用适当的处理条件可使CFRP的ILSS提高 2 0 %以上。

碳纤维电化学氧化表面处理效果的动态力学热分析研究

利用动态力学热分析(DMTA)、扫描电镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)对聚丙烯腈基(PAN)碳纤维电化学氧化表面处理效果进行了研究。研究结果表明,DMTA谱图中经电化学氧化处理的碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)其损耗角正切(tanδ)较未处理的降低30%,玻璃化温度(Tg)与tanδ峰值的变化可以有效地表征PAN基碳纤维表面处理的效果。这一结论与SEM观察CFRP断口形貌的结果相符。经定量计算出的界面粘结参数A和α与CFRP的层间剪切强度(ILSS)所反映的碳纤维与树脂间界面粘结效果是一致的。同时,XPS表面化学分析表明,经电化学氧化处理后的碳纤维表面羟基含量提高55%及活性碳原子数增加18%,采用适当的处理条件可使CFRP的ILSS提高20%以上。

预氧化温度对聚丙烯腈纤维皮芯结构形成的影响

在通常预氧化温度条件下,聚丙烯腈（PAN）纤维径向会产生结构不均匀的皮芯结构,从而影响最终炭纤维的力学性能.借助元素分析（EA）、差热分析（DSC）等表征手段和纤维皮芯结构等相关测试方法,系统研究了国内外五种PAN纤维在预氧化过程中生成皮芯结构与预氧化温度之间的关联性及纤维结构性能间的制约机制.研究结果表明：1）210～240℃间纤维的皮芯结构不明显,在240～260℃间预氧化反应剧烈,纤维皮芯比迅速增大,260～300℃范围内纤维皮芯比增长变慢;2）预氧化过程中PAN纤维皮芯结构的变化,与密度及化学反应速率等变化密切相联.因此可采用皮芯结构来表征PAN纤维在预氧化阶段的热化学反应与结构转化的程度.

热稳定化过程中PAN纤维热应力与热化学反应的关联性

借助DSC、FTIR、EA、WAXD和热应力变化等表征手段,系统研究了六种聚丙烯腈(PAN)纤维在热稳定化过程中应力变化特征与纤维热化学反应的内在关联。结果表明:在热稳化定化过程中PAN纤维化学应力峰的起始温度和峰顶温度很好地对应了纤维DSC起始与峰顶的温度,因而可采用化学热应力表征PAN纤维环化的反应速率和程度。由于化学应力峰的变化与PAN大分子的组成、有序度、芳构化指数以及密度等特征结构参数的变化具有较紧密对应关系,意味着热应力可用于连续热稳定化过程中在线控制纤维的结构。

电化学改性对PAN基碳纤维表面状态的影响

采用电化学氧化法对聚丙烯腈(PAN)基碳纤维进行表面改性,利用扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、X射线光电子能谱(XPS)和X射线衍射(XRD)对改性后的碳纤维表面状态进行了研究。同时探讨了碳纤维表面状态与其抗拉强度及其复合材料力学性能的关联。研究结果表明,碳纤维经电化学氧化后,表面的粗糙度提高了1.1倍;表面碳含量降低了9.7%,氧含量提高了53.8%,氮含量增加了7.5倍,羟基和羰基含量也有不同程度的提高;表面取向指数减小了1.5%,表面微晶尺寸减小,表面活性碳原子数增加了78%。电化学氧化法的刻蚀作用致使碳纤维拉伸强度降低了8.1%,但同时也改善了碳纤维表面的物理性质和化学性质,提高了碳纤维与树脂间的粘结性,使复合材料的ILSS提高26%。

电化学改性PAN基碳纤维表面及其机理探析

表面处理是高性能碳纤维制备的重要环节之一.采用原子力显微镜(AFM)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)和X射线衍射(XRD)等表征方法,研究了改性聚丙烯腈(PAN)基碳纤维的表面状态,探讨了电化学氧化法对碳纤维表面的改性机理.研究结果表明,在电化学的化学刻蚀作用下,碳纤维表面薄弱外层被去除,表面原有沟槽加宽加深,表面粗糙度增大了1倍多;在电化学的化学氧化作用下,碳纤维表面的活性官能团增多,(O1s+N1s)/C1s提高了9.7%.并提出了电化学氧化同时改善了碳纤维的表面物理状态和表面化学状态的'物化双效'机理.

改性PAN共聚纤维在预氧化过程中的热应力应变

用傅立叶红外光谱仪、广角X射线衍射仪、元素分析仪等表征了改性纤维和未改性纤维的结构变化和基本物化性质,测量了改性纤维和未改性纤维在预氧化过程中的热应力应变行为,研究了KMnO4改性对纤维结构均一性的影响.结果表明:改性纤维的热应力与热应变的变化与纤维聚集态结构、化学组成、热化学反应变化具有良好的关联性;热应力表征可用于控制纤维结构.改性提高了PAN纤维的均一性.与未改性纤维相比,KMnO4改性纤维化学反应主导的热应力提前出现约20℃,预氧化纤维的热应力增加约25%;在负荷相同的条件下,易收缩,难伸长;在牵伸比相同的情况下,取向度高7.8%,微晶尺寸小9.9%.通过改性可制备出结构更规整,更利于碳化的预氧化纤维.

碳纤维的电化学表面改性及其表面结构演变

采用电化学氧化法对聚丙烯腈(PAN)基碳纤维进行表面改性,联用场发射扫描电子显微镜(FESEM)、拉曼光谱(Raman)和X射线光电子能谱(XPS),表征了碳纤维表面物理化学结构。结合力学性能分析,评价了碳酸氢铵、氯化铵和硫酸铵三种电解质的改性效果,解释了碳纤维表面薄弱层产生的原因,分析了电化学改性碳纤维表面的机理。结果表明,在电化学改性过程中,碳纤维表面活性氧含量呈现梯形变化趋势,最高增幅达87.8%,而活性氮含量则不断增加直到饱和,可达到2倍增幅;相对于羧基等含氧基团,碳纤维复合材料(CFRP)层间剪切强度(ILSS)对胺基等含氮官能团更加敏感;当电解质中存在二价阴离子时,有利于减小碳纤维抗张强度的损失,甚至使其得到提高。

炭纤维阳极氧化法表面改性

采用阳极氧化法对聚丙烯腈(PAN)基炭纤维进行表面改性,利用原子力显微镜(AFM)、X射线光电子能谱(XPS)、扫描电子显微镜(SEM)和动态力学热分析(DMTA)对炭纤维表面改性效果进行了研究。研究结果表明,炭纤维经适当的阳极氧化表面改性后,表面的粗糙度和比表面积增大,表面羟基含量提高31%,羰基含量提高61%。表面改性炭纤维增强树脂基复合材料(CFRP)较未改性炭纤维CFRP,玻璃化温度(Tg)升高,损耗角正切峰值(tanδmax)降低,定量计算出的界面黏结参数A和α与CFRP的层间剪切强度(ILSS)所反映的炭纤维与树脂间界面黏结效果一致。采用适当的改性条件可使CFRP的ILSS提高25%,纤维抗拉强度仅损失5%。

一步活化法制备过程中H_2O蒸气对聚丙烯腈基活性碳纤维(PAN-ACFs)结构性能的影响

以Courtaulds纤维为原料,采用连续化碳纤维生产线制备出稳定的预氧纤维,通过连续化活化炉进行预碳化和水蒸气物理一步活化,制备出具有高吸附性能和高拉伸强度的聚丙烯腈基活性碳纤维(PAN-ACFs)丝束。借助比表面积(BET)、广角X射线衍射(WAXD)、力学性能和碘吸附等表征测试手段研究了水蒸气量对PAN-ACFs孔结构及力学性能的影响。结果表明:在适当的活化时间、活化温度下,逐步增加水蒸气的流量,活性碳纤维的吸附能力先快速增大,而后稳定,最后再缓慢地增加;纤维的拉伸强度呈现出先增大后减小的变化趋势;当水蒸气流量为1 g/min,起始的温度为650℃,高温区为850℃,活化时间为20 min时,所制备的PAN-ACFs具有相对较高的吸附性能、力学性能和碳化收率。

BCF的热氧稳定化研究

采用连续实验方法,借助X射线衍射、红外光谱、元素分析、力学测试等技术,系统地研究了热氧稳定化过程中聚丙烯腈纤维序态结构、化学结构与生物碳纤维吸附特性、力学性能的内在关联与作用。研究结果表明:聚丙烯腈基热氧稳定化纤维晶区尺寸、取向指数等结构参数与BCF比表面积、吸附特性及力学性能的优劣具有直接内在联系。在热氧稳定化过程中增加聚丙烯腈纤维热氧稳定化结构转化有益于改善生物碳纤维吸附特性,且与生物碳纤维力学性能的变化密切相关。

共聚组分对聚丙烯腈(PAN)纤维预氧化程度的影响及其与碳纤维结构和性能的关联

利用自制碳纤维连续化试验线对两类聚丙烯腈(PAN)原丝进行了不同条件的梯度升温预氧化处理,并最终得到碳纤维。采用差示扫描量热分析(DSC)、红外光谱(FT-IR)、广角X射线衍射(WAXD)等表征手段分析了共聚组分对PAN分子链规整度的影响以及分子链规整度对预氧化、炭化过程中纤维结构转变的影响。结果表明,相对于三元共聚PAN纤维,二元共聚PAN纤维由于分子链规整度的提高,与环化反应有关的放热反应相对滞后发生;在相同的预氧化条件下,二元共聚PAN纤维能得到环化度较高的预氧化纤维,所得碳纤维的类石墨晶粒尺寸L c也较大。结合碳纤维的拉伸强度和拉伸模量数据发现,二元共聚纤维适宜预氧化的温度要高于三元共聚纤维适宜预氧化的温度。

高效活化法制备活性碳纤维及其性能的研究

采用高效的活化方法制备高性能聚丙烯腈基活性碳纤维(PAN-ACFs),借助碘吸附、比表面积(BET)、X射线衍射(XRD)等表征手段研究了活化时间和水蒸气的量对PAN-ACFs样品结构、吸附性能和力学性能的影响。结果表明,在张力大小为7 N条件下,水蒸气流量和活化时间对PAN-ACFs的吸附性能和力学性能均有一定影响;当活化时间和水蒸气流量分别为5 min和0.20 g/min时,样品的比表面积达到2 139 m2/g,单丝所能承受的拉伸载荷为2.27 c N,对应的单丝拉伸强度为0.60 GPa。

PAN基高性能活性碳纤维的制备及其性能研究

采用KOH和水蒸气协同活化方法制备出高性能聚丙烯腈基活性碳纤维(PAN-ACFs),借助碘吸附、比表面积(BET)、X射线衍射(XRD)和SEM等表征手段研究了水蒸气体积分数φ_(水蒸气)对PAN-ACFs样品结构、吸附性能和力学性能的影响。结果表明,φ_(水蒸气)对ACFs样品的比表面积和单丝拉伸强度均有一定的影响;当ACFs样品的比表面积为1 759 m^2/g时,单丝拉伸强度达到0.67 GPa。与传统吸附材料相比,其综合性能有了明显提高。

碳纤维在不同电解质体系下的电化学表面改性

使用电化学氧化法对PAN基碳纤维进行表面改性,通过扫描电子显微镜(SEM)、Raman光谱和X射线光电子能谱仪(XPS)表征了碳纤维表面物理化学结构,同时结合力学性能分析,评价了碳酸氢铵、硫酸铵和复合铵盐溶液3种电解质体系的改性效果。实验结果表明,碳酸氢铵溶液下的电化学改性有利于界面粘结强度的提高,而硫酸铵溶液下的电化学改性有利于降低抗拉伸强度的损失,当采用复合溶液改性时,则可以同时提高碳纤维的抗拉伸强度和其复合材料的抗层间剪切强度。

250℃下时间效应对PAN纤维热氧稳定化反应的影响及关联

借用傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、元素分析(EA)、X射线衍射(XRD)和示差扫描量热分析(DSC)等手段,对比研究了热氧稳定化过程中250℃下时间效应与两种聚丙烯腈(PAN)共聚纤维及其炭纤维结构和性能之间的关联。研究结果表明,PAN纤维在250℃温区内停留超过9min时,最终热氧稳定化纤维的环化度(RCI)、体密度和芳构化指数(AI)的增加速率开始变小;炭纤维的孔含量(Vp)值与内部微晶的d002值开始增大,微晶排列的规整程度变差,缺陷增多,拉伸强度开始降低。

炭纤维生物膜载体在两相厌氧生物处理中的应用研究

考察并对比了聚丙烯腈基炭纤维(PAN-CF)、醛化维纶(PVA)和聚丙烯腈(PAN)纤维载体对硫酸盐还原菌和产甲烷菌的固着化能力,然后考察了它们在两相厌氧生物处理中的应用.结果表明,两种厌氧细菌在PAN-CF载体上的固着速率较快,固着量较大,固着在其表面的产甲烷菌活性更高,对硫酸盐和COD的去除能力更强,这可能与PAN-CF表面较强的疏水性及其优异的生物相容性有关;PAN-CF作为生物膜载体在两相厌氧处理含高浓度硫酸盐废水的应用中具有明显的优势,产酸相出水碳硫比大幅升高;产甲烷相COD去除率PAN-CF远高于PVA和PAN载体,约为它们的1.5～1.8倍;两相厌氧处理过程及效果受硫酸盐浓度变化的影响小,可更好地实现两相分离功能,促进有机物的生物降解.

PAN基碳纤维阳极电解氧化表面处理的研究

借助XPS、力学分析、SEM扫描电镜、傅立叶红外光谱 ,较系统地考察了碳纤维表面组成与结构的变化及阳极氧化表面处理对碳纤维复合材料层间剪切强度的作用与影响。结果表明 :采用碳酸氢铵为电解质对碳纤维进行阳极电解氧化表面处理后 ,其复合材料的层间剪切断裂转变为以张力断裂形式为主 ;通过适当地增加碳纤维表面的羟基含量 ,提高活性碳原子数与非活性碳原子数比 ,可有效地改善碳纤维复合材料的使用性能 ,使碳纤维层间剪切强度提高 49% ,层间剪切强度达 85 .5MPa。

KOH二次活化对PAN基活性碳纤维结构性能的影响

以Courtaulds公司的聚丙烯腈(PAN)纤维为原料,通过自主研发的碳纤维生产线制备出预氧化纤维,对其用连续化活化炉进行水蒸气物理活化,再经过KOH溶液浸渍,最后通过连续化活化炉进行化学活化,制备出具有高吸附性能的聚丙烯腈基活性碳纤维(PAN-ACFs)丝束。通过比表面积(BET)、红外光谱(FT-IR)、广角X射线衍射(WAXD)和碘吸附等表征测试手段研究了KOH对PAN-ACFs孔结构的影响。结果表明:逐步增加KOH的浓度,PAN-ACFs的碘吸附值明显增大,拉伸强度明显降低;当w(KOH)为15%,活化温度为850℃,活化时间为20 min时,所制备的PAN-ACFs具有相对较高的吸附性能、力学性能和碳化收率。