聚丙烯腈预氧纤维/硅橡胶烧蚀防热材料的制备及其性能

聚丙烯腈预氧纤维(PANOF)作为一种低成本、高性能阻燃纤维,在航空航天用热防护材料中极具应用前景。选用丙酮和硅烷偶联剂KH570依次对市售PANOF进行除油纯化和表面改性,得到了预处理PANOF(t-PANOF)。通过扫描电子显微镜(SEM)、傅里叶红外光谱(FT-IR)和X光电子能谱(XPS)对预处理前后的PANOF进行了表征,比较了纤维形态结构及其与硅橡胶(SR)界面性能的变化。研究了t-PANOF对SR力学性能和热性能的影响,并考察了在助成瓷剂(CFA)作用下,CFA/t-PANOF/SR三元复合材料的烧蚀响应行为。结果表明:经过预处理,纤维与橡胶的界面黏合水平得到了显著改善,t-PANOF/SR复合材料的拉伸断裂强度也随之提高。但是随t-PANOF含量的增加,复合材料的综合力学性能呈现出先上升后下降的趋势,纤维最佳用量为5~10份。t-PANOF增强骨架的构筑有助于改善SR在高温富氧环境下的维形能力以及CFA/t-PANOF/SR复合材料的烧蚀表现。在2 MW/m~2高温氧化气流下,CFA/t-PANOF/SR复合材料表面生成了以纤维骨架为主体结构的抗氧化陶瓷层,对应线烧蚀率和质量烧蚀率仅为0.02 mm/s和0.02 g/s,有望成为新一代空天飞行器的烧蚀防热材料。

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 。

聚丙烯腈预氧纤维含氧结构的形成与演变

在空气气氛下,对共聚聚丙烯腈(PAN)原丝在不同温度进行恒温热处理,利用红外吸收光谱(FT-IR)、固体核磁谱(NMR)、热失重红外联用仪(TGA-FT-IR)、X射线光电子能谱(XPS)和化学滴定研究了PAN纤维在空气气氛下含氧官能团结构的形成与演变。结果表明,150℃时仅是PAN纤维中共聚单体衣康酸的羧基官能团转化为酸酐官能团;170℃时是共聚单体中的羧基和酸酐结构以CO和CO2形式从纤维中脱除,而此时空气中的氧与PAN纤维反应形成羰基和羟基结构,羰基含量较多;随着温度进一步提高,氧化反应程度剧烈,含氧结构含量增多,部分形成的羰基和羟基结构被逐步氧化为羧基、内酯结构。

氧化结构对聚丙烯腈预氧纤维热稳定性的影响

将聚丙烯腈(PAN)原丝进行预氧化热处理,借助固体核磁(13C Solid-NMR)、热重红外联用分析仪(TG-IR)及力学性能测试等手段研究了PAN预氧纤维的结构及对热稳定性和力学性能的影响。结果表明:不同预氧化温度处理的预氧纤维热稳定性呈现先升高后降低趋势,是由形成的环化结构和氧化结构共同作用的结果:环化结构使热稳定性提高,而氧化结构达到一定含量后使热稳定性降低。在后续高温处理过程中预氧纤维中的氧元素与碳元素形成碳氧化合物,以CO和CO2的形式从纤维中脱除,形成结构型缺陷。经245℃处理形成适宜的预氧结构,碳元素脱除量最小,碳纤维的碳收率及拉伸强度最高。

化学改性对聚丙烯腈纤维及预氧纤维结构性能的影响

对聚丙烯腈纤维进行了化学改性,借助差示扫描量热分析(DSC)、定量傅立叶红外光谱(FT-IR)、平衡含水率、密度、力学性能等分析方法,对比研究了改性纤维、预氧化纤维、碳纤维与未改性纤维的结构性能的变化。研究表明:化学改性可促使聚丙烯腈纤维较未改性纤维初始环化反应温度前移,终止温度后移,从而有效缓解纤维在预氧化过程中的集中放热,有利于纤维结构和质量的控制;经硫酸羟胺改性后的纤维较未改性纤维制得的碳纤维抗拉伸强度提高16.3%。

低温炭化温度梯度对聚丙烯腈预氧纤维结构演变及碳纤维性能的影响

聚丙烯腈(PAN)预氧纤维在低温炭化阶段经热裂解重组而转化为具有乱层石墨结构雏形的低温炭化纤维,此阶段的温度调控对最终碳纤维的结构与性能有着重要影响。采用^(13)C固体核磁共振谱图(^(13)C-NMR)、拉曼光谱(Raman)、X射线衍射(XRD)和力学性能分析等手段,研究预氧纤维在低温炭化阶段的反应进程、温度梯度调控对预氧纤维的结构演变和碳纤维结构及性能的影响。结果表明:PAN预氧纤维在低温炭化过程中,经450℃热处理后碳结构的支链化程度达到最大值0.99,当处理温度达到550℃后,以芳环链段的重组交联为主要反应。低温炭化温度梯度影响预氧纤维的结构演变进程,当采用350—450—650℃的梯度升温模式时,先经450℃处理的低碳纤维中—C—C基团的^(13)C-NMR位移最大,表明纤维内的支化交联反应最多,再经650℃处理的纤维d_(002)以及相应高碳纤维的I_(A)/I_(G)达到最大,说明其无定形碳相对含量最多,因而最终碳纤维的力学性能最差;当采用350—550—650℃的梯度升温模式时,纤维内裂解与重组交联反应有序开展,低碳和高碳纤维的碳结构更优,最终碳纤维的致密性及力学性能得到提升。

PAN预氧纤维径向结构分布特征对石墨纤维的影响

径向结构是实现PAN基石墨纤维高模高强化的重要影响因素之一,有效调控、优化石墨纤维径向结构分布特征对制备高性能石墨纤维具有重要的指导意义。通过对径向分布特征不同的预氧纤维进行炭化、石墨化处理,研究PAN预氧纤维径向结构分布特征对石墨纤维径向结构分布特征和力学性能的影响。结果表明,石墨纤维径向结构是在预氧纤维径向结构上继承发展而来,含有较多共轭结构的预氧纤维皮部区域在炭化、石墨化处理后石墨化程度较高,有利于纤维力学性能提高,但过高的预氧化温度不仅使纤维中含氧结构增多,还使石墨纤维径向结构差异过大,导致石墨纤维的结构致密性下降,皮芯间产生剪切应力,纤维承载能力下降,力学性能受损。

预氧纤维的应用和发展现状

基于预氧纤维的阻燃性能优异和应用广泛,本文归纳了预氧纤维的性能特点和制品形态,总结预氧纤维在防护服、飞机刹车片、飞机座椅、家具、汽车和盘根上的应用,综述了预氧纤维目前的国内外发展现状,重点跟踪国内外预氧纤维下游制品开发的研究进展,分析了当前我国预氧纤维产业发展面对的困难和与国外存在的差距,建议应大力发展大丝束预氧纤维产业以满足国内外日益增长的市场需求。

一种聚丙烯腈预氧纤维和碳纤维的制备方法

一种聚丙烯腈预氧纤维和碳纤维的制备方法，属于纤维制备技术领域。使聚丙烯腈原丝在常压和空气介质中以恒定的速度通过连续化预氧化设备，采用2～4个温区梯度升温，总时间控制在30-45min，在预氧化过程的低温段，反应温度为200-240℃，加入总的0％～8％的正牵伸，

PAN预氧结构径向调控及其对炭纤维性能的影响

预氧纤维结构及其分布直接影响炭纤维的性能,优化预氧结构径向分布,构建预氧结构与炭纤维力学性能的关系,对制备高性能炭纤维具有指导意义。本文采用固体核磁、光学显微镜、热失重等表征方法,通过温度控制预氧化反应速率,研究预氧化反应速率对纤维结构和径向分布及炭纤维性能的影响。结果表明,整体提高预氧化反应速率,在促进预氧结构向纤维更深区域扩展的同时,也导致含氧结构增加较多,热稳定性降低,影响炭纤维的性能;而提高预氧化初期反应速率,有效改善预氧结构径向分布的同时纤维含氧结构增加较少,热稳定性提高,最终炭纤维的石墨化程度和致密性较高,力学性能显著提升,获得一种具有高强中模特征、直径相对较大的炭纤维。

负载纳米ZnO麻纤维预氧丝的制备和光催化性能

采用金属醇盐方法,以二水合醋酸锌、氢氧化钠、乙醇为原料,制备出颗粒均匀、分散稳定的纳米ZnO溶胶,并且将其成功负载在苎麻纤维上,经过140℃煅烧2h后制得负载纳米ZnO的麻纤维预氧丝。采用扫描电镜(SEM)、能谱元素定性定量分析(EDAX)、纳米粒度分析及相关分析软件,分析和表征了预氧丝的表观形貌、元素含量及纳米ZnO颗粒粒径。通过对亚甲基蓝染料模拟工业废水进行光催化实验,证明制备的负载纳米ZnO的麻纤维预氧丝材料具备一定的光催化作用,光催化降解率为75.52%。

碳纤维体密度与预氧化当量时间的相关性研究

温度和时间是预氧化过程中的两个重要参数,预氧化当量时间是将温度和时间综合起来考量的一个参数。对经过不同预氧化当量时间处理的预氧纤维样品和碳纤维样品进行体密度分析,找出了预氧化当量时间与预氧纤维体密度和碳纤维体密度的相关性,并对其影响机理进行了研究。研究结果表明:预氧化当量时间越长,预氧纤维体密度越大,对应的碳纤维体密度越低,并在一定范围内呈现线性关系。

预氧丝皮芯结构对碳纤维性能的影响

在使用PAN.F(聚丙烯腈原丝)为前躯体制备PAN.CF(聚丙烯腈基碳纤维)的过程中,经过预氧化反应生成的PAN.OF(聚丙烯腈基氧化纤维,俗称预氧丝)是其非常重要的中间过程,PAN.OF的皮芯结构直接影响着PAN.CF的力学性能。借助超薄切片机、电子显微镜、扫描电镜和材料试验机等表征测试手段,系统研究了PAN.OF的皮芯结构对PAN.CF力学性能的影响。研究认为:通过原丝的细旦化和预氧化过程条件的优化可以有效控制或消除PAN.OF的皮芯结构,得到抗拉强度5600MPa以上,弹性模量290GPa以上的碳纤维。

匀质化高强中模碳纤维原丝的预氧化方法

本发明公开了一种匀质化高强中模碳纤维原丝的预氧化方法。所述方法将聚丙烯腈原丝在200~300℃内预氧化,控制纤维内部氧含量以梯度为1%~3%的增幅匀速增加到8%~11%,并采用3~6分区恒张力控制,获得匀质化的预氧纤维。

预氧化时间对聚丙烯腈基碳纤维预氧丝结构与性能的影响

预氧化是制备碳纤维非常重要的一个环节,制得预氧化丝的性能直接决定最终碳纤维的性能,因此研究预氧化过程对预氧化丝结构性能的影响规律具有重要意义。通过广角X射线衍射点光源取向测试和小角X射线散射实验,计算得到了聚丙烯腈(PAN)基碳纤维原丝与不同处理时间下预氧丝取向度、线结晶度、长周期L、晶区厚度Lc、无定形区厚度La等微观结构参数。采用元素分析仪和单纤维强力仪研究了该系列PAN基碳纤维原丝、预氧丝的元素组成和力学性能随预氧化时间的变化,明确了PAN基碳纤维预氧丝内部微观结构参数、元素含量与其力学性能的关系。

PAN原丝预氧化工艺与氧元素含量相关性研究

利用差热、热重以及元素分析等测试手段测定了预氧化纤维中氧含量，分析了纤维的吸水性对氧含量测定结果的影响，讨论了预氧化温度、走丝速度及牵伸倍数与氧含量的关系，研究了预氧丝氧含量与碳纤维拉伸强度之间的关系。实验结果表明：不同预氧化纤维的吸水性对氧含量的测定结果有不同的影响；氧含量随温度的升高而增加，且温度越高，增加幅度越大；走丝速率越慢，相同温度下氧含量越高；预氧化低温牵伸有利于氧元素的扩散；可以从氧含量接近或处于10％～12％范围的预氧丝中制得较高强度的碳纤维，否则很难制得好的碳纤维。

干纺与湿纺腈纶大丝束预氧化工艺研究

对 3 .3 3dtex民用干纺与湿纺腈纶大丝束的预氧化工艺进行了研究。结果表明 ,预氧化温度和铺丝厚度是影响纤维性能的关键因素。预氧化温度 2 60～ 2 70℃ ,每 10min升温 10℃ ,制备的干纺与湿纺腈纶预氧纤维都能达到强度 1.6～ 1.7cN/dtex ,伸长 11%～ 16% ,极限氧指数大于 40 .5 %的纺丝用预氧纤维的质量要求。

氧化加热介质对碳纤维性能影响

对经过不同加热介质即空气、φ(氧)=20%、φ(氧)=15%气氛预氧化处理的聚丙烯腈PAN纤维,通过对预氧化纤维密度、氧含量对比分析,在240℃后随着温度的增加以空气、φ(氧)=20%气氛处理的预氧化纤维密度增长较快,而φ(氧)=15%气氛处理的预氧化纤维密度相对增长缓慢,有利于纤维的结构控制。经过碳化处理得到碳纤维样品力学性能的分析。经低φ(氧)加热介质预氧化处理的预氧化纤维氧化反应缓和产生的缺陷较小,氧化纤维均质化程度更高。因此制备的碳纤维拉伸强度更高。

碳纤维快速氧化方法的研究

对经过不同预氧化时间处理的PAN纤维,控制相当的氧化程度(预氧化纤维密度),经过碳化处理得到碳纤维样品力学性能的分析。得出适当增加预氧化时间,碳纤维力学性能指标会得到相应的提高,缩短预氧化时间碳纤维的力学性能指标会相应的降低。但考虑生产效率和成本,在碳纤维力学性能指标满足基本需要的前提下,可以缩短预氧化时间即快速氧化。

Al_2O_3/C复合材料中抗氧化添加剂对预氧丝原位碳化及强度的影响

研究了不同抗氧化添加剂B_4C粉、SiC粉和铝粉对碳纤维前驱体即预氧丝在氧化铝/炭复合材料中原位碳化的影响及其碳化后纤维对材料的强化效果。研究表明,在氧化铝/碳复合材料中添加B_4C后,由于高温下在材料表面形成了一薄层致密的玻璃相物质,抗氧化效果最为明显,预氧丝原位碳化后达到同类碳纤维的强度,复合材料强度也大幅度提高。其次,添加少量铝粉也能起到较好的保护作用。