碳纤维用PAN原丝的结构与性能

采用以二甲基亚砜（DMSO）为溶剂的连续溶液聚合和一步湿法纺丝技术，在10t／a中试实验装置上成功地制备了碳纤维用聚丙烯腈（PAN）原丝批量产品。通过不断地优化聚合和纺丝工艺条件，实现了PAN原丝的中试稳定化。实验结果表明，采用连续溶液聚合技术在实现单体高度转化的同时获得了高分子量的PAN共聚物，通过调整凝固成型工艺条件和牵伸配比制备了具有圆形截面且结构致密的高取向度PAN原丝。将批量PAN原丝产品进行预氧化、低温碳化和高温碳化后．获得PAN基碳纤维，其束丝强度、模量和断裂伸长率的平均值分别达到3．74GPa，223GPa和1．7％。     

高相对分子质量PAN纺丝溶液的流变性能研究

研究了高相对分子质量PAN纺丝溶液的制备工艺,讨论了影响纺丝溶液的流动曲线、非牛顿指数、结构粘度指数、孔口膨化比等的主要因素,为确定合理的PAN基碳纤维原丝生产工艺提供了科学依据.     

PAN基碳纤维热氧化过程结构变化研究

预氧化在碳纤维生产过程中起到一个重要的过渡作用,适当的预氧化工艺是制备性能优异碳纤维的基本保障。笔者通过在空气气氛下对PAN基碳纤维进行不同温度热处理,通过调整工艺参数,研究PAN基碳纤维在预氧化过程中分子链内的环状结构形成机制。结果表明:聚丙烯腈原丝在预氧化过程中,自身的官能团发生了脱氢和环化反应,并形成了含有C=N,C-C的梯形结构。热氧化过程中温度低于250℃时,纤维表面含氧量不断增加,主要增加的官能团为羟基、醚键以及羰基。     

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Lc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。     

PAN纤维中Fe的高温演变研究

为了考察Fe对PAN基碳纤维的影响,在凝固成型阶段将Fe引入聚丙烯腈(PAN)初生纤维中,通过后续过程制备含Fe的原丝,经过预氧化、碳化处理后,收取不同阶段的纤维。借助电感耦合等离子体-原子发射光谱(ICP-AES)、电子探针(EPMA)、力学性能测试、热重分析等手段,表征不同热处理阶段PAN纤维中Fe的含量、微区分布的变化及对碳纤维性能的影响。结果表明,含Fe的PAN原丝经预氧化、低温碳化过程,PAN纤维中Fe的质量未发生改变,当热处理温度达到1450℃后Fe开始损失,经1550℃高温处理后Fe的质量大幅度降低;热处理温度高于1350℃后,Fe在PAN纤维的径向逐渐呈现外缘多、内部少的特点,Fe有向纤维外部迁移的趋势;Fe的存在及高温迁移,降低了碳纤维的拉伸强度,影响了碳纤维的热稳定性能。     

金属离子对PAN基碳纤维结构和性能的影响

采用浸渍的方法,将钠、铁离子引入聚丙烯腈(PAN)纤维。经预氧化、低温碳化后,分别在1200、1300、1500℃温度下,对PAN纤维进行高温碳化处理。通过X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、体密度、力学性能等测试手段研究了金属离子对PAN基碳纤维结构和性能的影响。结果表明,添加金属离子后,1500℃处理的碳纤维(002)面的层间距减小,碳纤维的抗拉强度降低,碳纤维的弹性模量增加;碳纤维横断面结构尺寸大小不一,结构疏松。金属离子的加入,一方面能促进碳纤维的乱层结构向石墨结构的转变,弹性模量增加;另一方面使碳纤维的缺陷增加,抗拉强度降低。     

高分子量PAN溶液流变性质的研究

用高分子量PAN聚合体进行纺丝是提高PAN基碳纤维原丝强度的一条主要途径，但高分子量PAN聚合体的溶解往往不完全，可纺性差，本采用实验室自制设备对高分子量PAN聚合体进行了溶解，通过对所得溶液流变性质的研究发现该溶液可纺性良好。     

高纯度PAN基碳纤维及其原丝的研制

对用几种方法制取的高纯度PAN原丝进行了分析对比,选取了以无碱金属引发体系的HNO_3溶液聚合工艺制得原液并纺制了碱金属及碱土金属总含量小于100ppm的高纯级PAN原丝。将其与其余三种一般纯度的PAN纤维以同样氧化、碳化工艺制得了碳纤维,并以密度、质量比电阻、X—光衍射、扫描电子显微镜、热分析及原子吸收光谱等方法研究了高纯碳丝及原丝的特点。     

ZPAN基碳纤维中碳结构与模量的相关性

通过分析PAN纤维低温热处理后的分子结构,结合PAN基碳纤维结构性能,提出了影响碳纤维模量的碳结构要素,并将其定义为“无氢芳香碳”;利用核磁共振波谱（NMR）对热处理程度不同的PAN纤维中“无氢芳香碳”的相对含量进行了研究。研究结果表明：热处理时间越长,原丝纤度越低,热处理后PAN纤维结构中“无氢芳香碳”的相对含量越高,更有利于获得高模量的碳纤维。     

粘胶基碳纤维原丝结构对碳丝性质的影响——原丝形态结构的影响

用电镜、纤维热机械仪、X光仪对不同来源的粘胶基碳纤维原丝及其碳丝进行了观察和分析。结果表明,原丝形态对所得碳纤维有很大的影响,特别是原丝形态结构的均匀性,如微孔、微裂缝等对碳纤维质量有很大的直接影响。     

PAN基高性能碳纤维的制备及其性能的研究

碳纤维（简称ＣＦ）是一种新型高强度材料。本研究工作采取连续预氧化碳化方式，探索ＣＦ制备过程中工艺－结构－性能之间的关系。利用光学显微镜，密度，ｘ－射线衍射，元素分析等技术和测试手段重点研究工艺参数对ＣＦ结构性能的影响。实验结果表明，ＣＦ的结构性能与工艺条件有着密切关系，通过控制ＣＦ有关的制备工艺参数，可以制得高性能碳纤维。     

凝胶纺壳聚糖分散碳纳米管/聚丙烯腈纤维的研究

多壁碳纳米管(MWNTs)通过壳聚糖衍生物处理后与超高分子量聚丙烯腈进行复合,将得到的复合材料通过凝胶纺丝法制备出不同复合比例的MWNTs/聚丙烯腈纤维.将不同纺丝方法以及不同比例MWNTs对拉伸强度、模量、取向度、结晶结构的影响进行比较研究,同时通过电镜观察MWNTs的分散状况.结果表明:相比于湿法纺丝,通过凝胶纺丝法制备的复合纤维,MWNTs取向更好,分散更为均匀,纤维拉伸强度、模量都得到显著提高.对比未加MWNTs的对照样,在这个体系中加入质量分数为0.5%的MWNTs复合时,拉伸强度提高37%,弹性模量提高11.68%,并且声速取向度维持在相当高的水平(92.5%).     

Stress and Strain During the Process of Thermal Stabilization of Modified Pan Precursors

Thermal mechanical analysis, FT- IR, WAXD and some conventional measurements, such as densities and mechanical properties, were used to characterize the effect of the modification using KMnO4 and SnCl4 on the thermal mechanical behaviors and structural changes dining the process of thermal stabilization of modified PAN precursors. to the unmodified original PAN precursors, some conclusions were drawn that the thermal stabilization starts at a lower temperature for modified PAN fibers, for example, the peak of thermal stress changes for modified PAN precursors using KMnO4 displays a decrease of 20℃ and a increase of 30% in the ultimate thermal stress, that chemical modification makes structural transformation perfect and increases by 25% of the thermal stress at the temperature range of 230℃- 300℃, that the modified PAN fibers display an increase of 100% in the thermal strain, once after pre-oxidized, show an increase of 7.8% in orientation index, and a decrease of 9.9% in crystal size for identical preload in the region of 13.1 - 14.5 MPa. It was also concluded that the modification using SnCl4 would alleviate the changes in physical and chemical stress regimes and result in improvement in structure and decrease in defects.     

某国产聚丙烯腈原丝的预氧化研究

在炭纤维生产线上对某国产聚丙烯腈(PAN)原丝进行预氧化处理,采用差示扫描量热法(DSC)对该国产聚丙烯腈原丝进行热分析,确定预氧化温度,采用元素分析仪、傅里叶转换红外光谱仪(FTIR)和X线衍射仪(XRD)等检测方法对不同预氧化阶段的纤维进行研究.研究结果表明:随着预氧化温度的升高,纤维的密度逐渐增加,最终密度达到1.366 g/cm3;纤维的含氧量随温度的升高而增加,且温度越高,增加越快,而其他元素变化缓慢;FTIR结果显示2 243.1 cm-1(C≡N)振动峰逐渐降低,新出现的1 612.2 cm-1(C=N)振动峰逐渐加强,表明纤维内线性分子链向耐热的梯形结构转变;X线衍射结果显示17°和29°附近的衍射峰强度逐渐减小,由较宽的衍射峰替代,表明纤维内发生收缩解取向,原序态结构消失,形成堆积较混乱的且不规则的梯形聚合物.     

石墨化过程中元素铁对PAN基碳纤维成分及结构的影响

运用EA、Raman和XRD等方法分别研究了PAN基碳纤维石墨化过程中非结构型成分铁对碳纤维中C、N、H等结构型成分、化学结构和聚集态结构的影响,探讨了碳纤维成分变化与结构演变的关联关系。研究表明,元素铁对碳纤维中N元素的逸出具有较强的催化作用,碳纤维中C元素含量由于N元素被催化脱除而提高的更快;元素铁催化脱氮减少了碳纤维结构重排中的能耗,从而有利于碳纤维中的乱层结构碳向石墨结构碳的转变;同时,元素铁促进石墨片层基面宽度（L_a）增长;由于N元素沿纤维径向地逸出,元素铁催化脱氮产生的气胀作用力阻碍石墨片层的堆叠,因此铁对石墨片层层间距（d₀₀₂）几无影响,层间距的发展主要体现温度效应。     

碳纤维表面特性对反硝化菌固着化的影响

通过对比反硝化菌在不同基体碳纤维表面的固着化及碳纤维表面含氧官能团对菌种的固着化实验,研究了碳纤维(基体、比表面积、循环利用性等)特性,尤其表面含氧官能团对反硝化菌固着化的影响。实验结果表明,反硝化菌在PAN基碳纤维上的平均挂膜厚度明显高于沥青基和粘胶基碳纤维。碳纤维表面适量的含氧官能团有助于较多、较牢固地固着反硝化菌。对三种PAN基碳纤维的XPS谱图分析表明碳纤维表面含氧官能团—O—CO对反硝化菌的固着化影响较大,当碳纤维表面含氧官能团—O—CO中碳原子占表面碳原子总量的3%左右时反硝化菌固着化效果较佳。经过比较表明PAN基碳纤维是一种生物相容性好、固着化程度高、再生能力强、耐微生物分解及化学腐蚀的优异的新型反硝化菌固着化载体。     

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。