聚丙烯腈基炭纤维制备过程中的表面形态和结构研究

为了制备高性能的聚丙烯腈基炭纤维,用SEM和TEM等分析方法跟踪炭纤维生产全过程中纤维微观结构所发生的变化。在湿法纺丝中,控制预牵伸倍数为 7倍,调整凝固浴的温度为 16℃时,可纺出截面近似圆形的高质量原丝,纤维的截面和表面的微纤比较紧凑,表面缺陷和裂纹较少;原丝经过预氧化后仍保持原来的微原纤结构,纤维外部表层的石墨微晶较大,所含孔隙较少,内部的微晶较小且含有大量孔隙。用高锰酸钾改性原丝能够得到质量优异的预氧化纤维,改性预氧丝的纤维基面增加比未改性的多,基面沿纤维轴排列的程度更高。所制备的炭纤维具有由原丝演变来的微观结构,微纤沿纤维轴高度取向,微纤之间有细长的孔隙,并堆砌在一起形成枝化微纤的伸展网络,炭纤维截面形状也近似为圆形。合理调整制备工艺,得到了强度为 3.6GPa^4.2GPa,断裂延伸率为 1.6%~1.8%,模量为 235GPa^240GPa的聚丙烯腈基炭纤维。结果表明:炭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、高取向度和结构均匀的原丝是获得高强度和高模量炭纤维的前提。

化学改性对PAN原丝及预氧纤维结构性能的影响

在各种温度和时间条件下 ,将本实验室纺的 PAN原丝进行连续化学改性处理 ,借助 IR光谱、DSC、TG、X射线衍射等分析方法 ,选出了最佳的改性温度和改性时间 ,并对化学改性的原丝、预氧丝的性能进行了初步探讨。得出结论 :化学改性能缩短预氧环化时间 ,缓解纤维的放热和吸热 ,优质原丝应具有高纯度、高强度、高取向度性质。本课题希望通过对原丝进行化学改性的方法 。

由聚丙烯腈基碳纤维制备石墨烯薄膜的探索研究

为了拓展生产石墨烯薄膜的方法,对不具有皮芯结构的T700和T300聚丙烯腈基碳纤维进行了超薄切片,分别制备了超薄切片试样BM1和BM2,借助于高分辨、XRD、拉曼光谱等表征方法对石墨烯薄膜进行了表征和研究。结果发现超薄切片石墨烯薄膜BM1和BM2相比较,BM1中碳原子网络石墨烯平面部分平直,部分扭曲,网平面上碳原子之间的距离减小,石墨烯层排列较致密并沿牵伸方向择优取向,相邻石墨烯层连贯性较好。BM1中石墨烯的结构有序化程度最高,sp2杂化碳原子的相对含量高,验证了可以采用超薄切片的物理方法由高性能碳纤维制备结构规整的石墨烯薄膜的可行性。

聚丙烯腈湿法纺丝中纤维结构的形成研究

借助于扫描电镜、透射电镜和小角 X 射线衍射方法,研究了聚丙烯腈湿法纺丝中形成的纤维的结构,结果发现:初生纤维是一种高度溶胀立体网络状的冻胶体,立体网络骨架由大分子链束集组成,大分子链间的缠结是骨架的物理交联点,原丝聚集态结构由里向外由3层组成:外表层是极薄的、密实的皮膜,从皮膜向里是柱状皮层,再向里是芯层。纤维沿径向分布的各层具有不同的取向度,随着凝固率和拉伸率的增加,结晶度增加。同时提高凝固液浓度,增加拉伸倍数,增大拉伸速度,可使晶粒增长。

网状和皮芯结构对生产高性能碳纤维组织演变的影响

为了研究聚丙烯腈纤维各级超分子结构形态及结晶的微观形态 ,弄清楚制备碳纤维的过程与所得到纤维结构和性能的关系 ,用透射电子显微镜分析了凝胶网络和皮芯结构的形成及预氧化和炭化过程中纤维结构的演变历程。结果表明 :原丝具有明显的皮芯结构 ,外表层凹凸不平 ,从表层至心部是一层过渡区 ,表层的片层较心部的薄且致密。碳纤维网络骨架间接点的密集程度和原丝的密集程度有直接关系 ,原丝网络骨架的接点密集度低及晶粒组织大 ,随后得到的最终碳纤维密集度低及晶粒组织也大 ,其强度和模量明显高。碳纤维强度主要是纤维中弥散分布的“小晶区”做出的贡献 ;原丝微观结构中 ,“晶区”数量、大小和弥散分布情况以及构成三维空间网络结构的致密程度决定了预氧丝和碳纤维的性能。

高性能碳纤维原丝聚合机理和纺丝工艺的研究

通过实践深入探讨了聚丙烯腈原丝生产的聚合机理,并借助于SEM对所纺的碳纤维原丝进行了探讨,实验证明,生产原丝中的聚合机理遵循4个阶段,而且聚合温度没有超过聚丙烯腈的分解温度。纺丝要控制预牵伸倍数在7左右,为蒸汽牵伸提高原丝的取向度和结晶度以及最终碳纤维的高性能作好准备。

湿法纺聚丙烯腈原丝凝固过程的研究

为了研究丙烯腈湿法纺丝中,温度、浓度和负牵伸等凝固条件对原丝结构和性能的影响,借助扫描电镜,电子探针、元素分析仪等对初生原丝结构和性能进行了探索,结果发现:在一定范围内提高凝固浴浓度、适当降低凝固负牵伸、升高凝固浴温度,有利于获得圆形截面的纤维;升高凝固浴温度,增加凝固牵伸有利于纤维结晶度的增加。

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,然后进行预氧化和炭化处理,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。

聚丙烯腈基纤维的结构设计及其演变性研究

为了制备高性能的聚丙烯腈基碳纤维,借助高温 DSC 曲线分析、透射电镜和扫描电镜等分析方法,通过对制备碳纤维的不同类型原丝进行分析,对聚丙烯腈基纤维的结构设计及其演变性进行了研究,结果发现在聚合、纺丝过程中要避免结构缺陷的引入,才能制备具有理想的物理化学结构和精细组织结构的原丝,只要丙烯腈质量分数达 0.97 以上,第二、三单体的微量变化不足以引起原丝和碳纤维性能发生大的变化,原丝微观组织结构不断演变和转化,某些结构缺陷会遗传到碳纤维中,质量较高 PAN 纺丝液质量分数纺丝液制取的纤维表面沟槽小而浅。

聚丙烯腈纤维片层组织结构演变历程的研究

为了研究原丝中片层微观组织的演变性,借助电子显微镜,跟踪了片层组织结构在纺丝、预氧化和炭化过程中所发生的变化.结果发现:原丝由取向不同的片层组织结构构成,形成最终碳纤维后,碳层不会在C轴上做有规则的ABA式堆砌,个别的碳层面绕C轴发生旋转而失去碳层的三维有序结构,仅仅生成二维有序的乱层结构.预氧化纤维有'皮芯结构',外层由与纤维轴平行或者倾斜成一定角度的微纤片层结构组成,而内部是杂乱无章的片层结构,或者是微小的空隙,皮层的厚薄与预氧化处理方式有关.经过1000℃烧制的碳纤维层片厚度约为0.03～0.10μm.经过1350℃炭化后所得的纤维,由许多类似鱼鳞的片层构成,片层上有纳米级的微晶.

拉伸对聚丙烯腈原丝结构和性能的影响

在生产碳纤维原丝的过程中 ,各种工艺条件 ,如含固量、拉伸倍数、凝固浴浓度、温度、预热浴温度等对聚丙烯腈原丝结构与性能影响较大 ,根据近几年的探索和实践 ,在其他条件固定不变的情况下讨论了拉伸倍数对原丝结构和性能的影响 ,并用SEM进行了不同的拉伸倍数下原丝的横、纵截面的分析。结果表明 :拉伸倍数越大 ,原丝纤度越小 ,强度越大 ;最佳拉伸倍数为 6.5～ 7.5倍。

丙烯酸甲酯对聚丙烯腈原丝及预氧丝结构和性能的影响

通过控制单体配比,采用丙烯酸甲酯(MA)与丙烯腈(AN)、衣康酸(IA)自由基溶液共聚,以偶氮二异丁腈为引发剂在溶剂二甲基亚砜中合成了聚丙烯腈原丝纺丝溶液,并纺制了碳纤维前驱体聚丙烯腈原丝,通过IR、DSC、密度等分析手段,讨论了第二单体MA对共聚反应及聚丙烯腈原丝结构和性能及预氧化纤维的影响。实验证明:随着丙烯酸甲酯含量的增加,最后所得到的纺丝液的粘均分子量、固含量、特性粘度以及转化率都在提高,但当MA达到一定值后又降低了,MA并不是激活而是阻碍环化,与IA促进环化是矛盾的,在IA和MA之间一定有一个最好的匹配比,经过实践证明,MA质量分数为3%～4%时最有利于环化和促进预氧化稳定。

PAN原丝改性对碳纤维结构和性能的影响

采用高锰酸钾对 PA N原丝进行化学改性 ,借助扫描显微镜、透射电镜、化学分析等方法 ,对化学改性处理后的纤维形貌、表面及内部结构进行了初步的研究 ,并对化学改性得到的碳纤维力学性能进行了初步探讨。结果表明 :高锰酸钾在预氧化中能降低环化温度 2 0℃左右 ,改性后的碳纤维强度提高了15 %～ 3 0 %、模量提高了 5 %～ 10 %。

加水浸润和致密化对聚丙烯腈原丝结构与性能的影响

为了研究丙烯腈湿法纺丝中，加水浸润致密化对湿法纺聚丙烯腈原丝结构和性能的影响，借助X射线衍射、纤度细度仪和XQ-1纤度强伸度仪等分析仪器对初生原丝结构和性能进行了探索。结果发现，在一定范围内增加致密化温度可以提高纤维的晶粒尺寸和结晶度，提高其强度，降低其断裂延伸率。提高致密化时间可提高纤维的晶粒尺寸和结晶度。在130℃下致密化64～96s可以得到综合性能好的纤维。

氨化改性对IA-AN聚合及PAN原丝热性能的影响

研究了衣康酸和丙烯腈共聚时NH3的加入对聚合反应速率的影响 ,并借助DSC和TG等测试方法分析了氨化处理对聚丙烯腈原丝热性能的影响。结果表明 :单体浓度最好控制在 2 2 %左右 ,IA氨化改性后 ,与AN的共聚反应速率提高 ,纺丝液和原丝的亲水性能明显增加 ,NH3改性条件下原丝的热性能与改性前相差不大 。

聚丙烯腈纤维结构缺陷的形成和控制

为了获得高性能的碳纤维和高质量的碳纤维前驱体原丝,借助于扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)对原丝和碳纤维的结构缺陷进行观察,并对结构缺陷的形成原因进行分析,提出了控制缺陷的方法,希望为制备高性能的碳纤维提供理论根据。

化学表面处理对PAN预氧化纤维的影响

对化学改性的原丝、预氧丝及最终碳纤维的力学性能进行初步探讨。得出结论 :获得高性能碳纤维的前提是获得优质原丝 ,优质原丝应该具有高纯度、高强度、高取向度等性质 ,这就要求纤维内部和表面缺陷少 ,希望可通过对原丝进行化学改性 。

PAN原丝微观特征对碳纤维结构与性能的影响

在凝固浴中浓度为60％的情况下,在不同温度下的凝固浴中纺出原丝,用原丝凝固丝条的孔隙率和碘吸附量方法以及密度分析和电镜分析的方法对原丝的微观结构及最终碳纤维的性能影响进行了探讨。结果表明:碳纤维的性能是由其微观结构决定的,原丝成纤后所形成的结构能够遗传给碳纤维。

正交试验法在PAN原丝纺丝工艺中的应用

利用正交设计方法确定了PAN湿法纺丝过程中影响原丝性能最主要的因素。结果表明 :以计量泵转速、凝固浴温度、负拉伸以及蒸汽拉伸倍数作为考察对象 ,影响原丝性能的最显著因素是蒸汽拉伸倍数 ,其次是负拉伸。以负拉伸、第二拉伸、第三拉伸以及蒸汽拉伸的倍数作为考察对象 ,影响原丝性能最显著的是蒸汽拉伸倍数 ,负拉伸几乎没有影响。利用正交实验结果 ,适当调节蒸汽拉伸倍数 ,制得强度为 6.5～ 7.0cN/dtex ,线密度为 1.1～ 1.

NiSO_4改性对聚丙烯腈原丝及其碳纤维结构与性能的影响

Free\|radical solution copolymerization of itaconic acid and acrylonitrile was carried out in DMSO at 58～60℃ using azodiisobutyronitrile as initiator.The resulting polymerization solution was spun to form PAN precursors of carbon fibres.The precursors were treated with NiSO 4 aqueous solution at 95℃ on line.The structure and properties of untreated and treated PAN precursors and resultant carbon fibres were characterized by IR,SEM,dynamic viscoelasticity study,stabilization process and so on.It was suggested that carbon fibres developed from modified PAN fibres showed an improvement in tensile strength by about 20%～30% and Young’s modulus by about 5%～10%.