大丝束腈纶的表面改性及其热环化行为研究

为降低聚丙烯腈(PAN)基碳纤维生产成本,采用低成本大丝束腈纶作为前驱体,利用单宁酸的活性基团羟基对大丝束腈纶进行表面改性,制得单宁酸改性大丝束腈纶预氧化丝,研究了预氧化阶段大丝束腈纶的热环化行为。结果表明:经单宁酸溶液处理后,大丝束腈纶环化反应的起始温度从275℃降至200℃,从原来自由基聚合困难的反应转化为相对简单的离子聚合反应;改性大丝束腈纶经预氧化后氧元素质量分数从15.03%提升到27.43%,单宁酸改性显著促进了大丝束腈纶的氧化反应;改性大丝束腈纶经预氧化后体密度达到1.3746 g/cm^(3),满足后续碳化处理对纤维的结构要求,从而为后续大丝束腈纶基碳纤维制备奠定基础。

电化学氧化对国产PAN基高模量碳纤维表面结构的影响

使用两种电解质溶液碳酸氢铵(NH_(4)HCO_(3))和磷酸二氢铵(NH_(4)H_(2)PO_(4))对聚丙烯腈(PAN)基高模量碳纤维表面进行电化学氧化处理,并通过扫描电子显微镜、X射线衍射、拉曼光谱和X射线光电子能谱对比分析了处理前后纤维表面的物理和化学结构变化规律,探讨了不同电解质溶液对纤维表面的氧化能力差异。结果表明:经电化学氧化处理后,纤维直径有所下降,纤维表面活性显著提高,尤其是以NH_(4)H_(2)PO_(4)为电解质溶液电化学氧化处理后纤维表面元素氧/碳含量比由处理前的0.0158提高到0.2645,且纤维表面氮元素含量提高了300%;与NH_(4)HCO_(3)溶液相比,使用NH_(4)H_(2)PO_(4)溶液对纤维表面处理效果更好,可大幅度提高纤维表面无序化程度,并能同时活化纤维石墨片层的边缘和内部结构。

铵盐电解质溶液中高模碳纤维的电化学氧化机制

聚丙烯腈基高模碳纤维(HMCFs)具有高比强度、高比模量、低热膨胀系数等优异性能,在航空航天、高端运动器材等领域应用广泛,但因其表面呈现极高惰性而难以与树脂基体有效结合,直接影响了复合材料性能。目前,电化学氧化是唯一实现在线配套的碳纤维表面改性工艺,而有关高模碳纤维表面的电化学氧化研究尤其是电解质溶液对HMCF表面的氧化机制尚缺乏系统研究。通过采用具有4种不同酸碱性特征的铵盐溶液对HMCF进行电化学氧化处理,表征并分析了处理前后纤维表面结构、力学性能及复合材料界面性能变化。结果表明:碳纤维经铵类电解质溶液处理后,表面发生氧化的同时引入N元素、产生含氮官能团,纤维表面无序化程度及含氧量随电解质溶液酸碱性的增强而增加;电化学处理后纤维模量都有不同程度地提高,而只有弱碱性的NH_(4)HCO_(3)和酸性的NH_(4)H_(2)PO_(4)电解质溶液处理后的纤维拉伸强度出现增加,分别从处理前的4.21 GPa提升到4.82 GPa和4.75 GPa,并且其复合材料界面剪切强度相对于从未处理碳纤维的复合材料分别提高了49.86%和49.02%,证明电化学氧化过程中适度的氧化刻蚀能够在纤维表面改性的同时提高纤维拉伸强度。