国产高性能聚丙烯腈基碳纤维制备技术研究进展

 综述了近年来高性能聚丙烯腈（PAN）基碳纤维的研究进展,对PAN聚合、原丝制备、预氧化和碳化过程中最为关键的问题进行了总结：（1）聚合工艺对共聚单体在PAN分子链上的分布和溶液的均匀性非常重要。与间歇聚合或半连续聚合工艺相比,连续溶液聚合工艺可以提供更稳定的纺丝溶液,减少聚合过程中微凝胶的产生,并提高PAN原丝乃至碳纤维的均匀性。（2）PAN溶液进行湿法或干湿法纺丝过程中,相分离过程控制对PAN原丝及其碳纤维中微缺陷形成和发展,微缺陷的含量至关重要,并最终影响碳纤维的性能。干燥和牵伸工艺对于优化PAN碳纤维原丝的结晶和取向结构,制备高品质的碳纤维原丝同样起决定作用。（3）预氧化的升温速度、最高预氧化温度和预氧化张力控制对预氧丝的皮芯结构、环化指数及其对后续碳化工序的顺利进行产生重要的影响并影响碳纤维的性能;碳化的最高温度影响PAN基碳纤维的强度和模量。（4）碳纤维的结构与其性能具有直接相关性,中国对相关研究仍然比较缺乏,碳纤维生产技术水平和自主创新能力仍然不足。     

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。     

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。     

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。     

碳纤维:一种重要的建筑材料

碳纤维的优良性能 碳纤维是一种碳含量超过90%的纤维状炭材料,是以有机纤维——聚丙烯晴(PAN)纤维、粘胶纤维、沥青纤维等原丝经过预氧化、碳化、石墨化等高温固相反应工艺过程制备而成,由有择优取向的石墨微晶构成,因而具有很高的强度和弹性模量(刚性)。它的比重一般为1.70　g/cm3～1.80g/cm3,强度为1200　MPa～7000MPa,弹性模量为200　GPa～400GPa,热膨胀系数接近于零,甚至可为负值(～1.5×10-6)。 碳纤维同时具有高比强度　、高比模量、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变、导电、传热和热膨胀系数小等一系列优异性能。这些优良的…     

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。     

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。     

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。     

不同纺丝法制备的聚丙烯腈纤维的结构与性能

对购买的由不同厂家采用溶液纺丝制得的3种商用聚丙烯腈(PAN)原丝和采用增塑熔融纺丝法自制的PAN纤维的结构与性能进行对比研究.试验结果表明:增塑熔融纺丝法制备的PAN纤维发生了环化、脱氢反应,放热峰宽化,放热焓较低,玻璃化转变温度较高,纤维的拉伸断裂强度均高于3种商用PAN原丝,达到7.38cN/dtex;采用Ruland法和逐次切线法计算发现,增塑熔纺PAN纤维沿纤维轴方向微孔的半径和取向偏离度较小,微孔长度较大.     

PAN/ZnO抗静电纳米复合纤维膜的制备及性能研究

为了提高聚丙烯腈(PAN)纤维的抗静电性能,以聚丙烯腈原丝为基料,N,N-二甲基乙酰胺(DMAC)为溶剂配制了聚丙烯腈纺丝液。然后通过超声波及机械搅拌的方法将不同质量分数的导电性能良好的纳米氧化锌(Zn O)分散在聚丙烯腈纺丝液中,配制成PAN/Zn O二元复合纺丝液,采用高压静电纺丝技术制备具有抗静电性能的PAN/Zn O纳米复合纤维。研究了PAN纺丝液、PAN/Zn O二元复合纺丝液的可纺性以及不同质量分数的纳米氧化锌对PAN/Zn O纳米复合纤维膜的结晶度及体积比电阻的影响。结果表明:纺丝液的可纺性较好,在体积分数为12%,纺丝电压为18k V,接收距离为15 cm,推进速度为0.000 5 mm/s的条件下进行静电纺丝,可以得到纤维直径均匀,纤维平行伸直度良好,表面光滑的PAN纳米纤维;随着纳米氧化锌质量分数的提高,PAN/Zn O纳米复合纤维表面变得粗糙,但结晶度无明显变化,体积比电阻减小,抗静电性能提高。     

竹纤维负载聚苯胺吸附还原银（Ag^＋）离子

采用化学氧化聚合法制备了竹纤维/聚苯胺二元复合物,并将该复合物处理含银溶液中的银离子（Ag^＋）。研究了初始Ag＋浓度、温度和振荡等因素对吸附还原过程的影响,探讨了吸附过程动力学及热力学。研究结果表明,该复合物对低浓度Ag＋溶液有较好的去除率,最佳达到99.0%;升高温度以及振荡条件有利于银离子的去除;吸附还原过程是自发的吸热反应,符合准二级动力学模型,且符合Langmuir等温吸附模型;Ea为28.119 2kJ/mol,说明过程容易进行,且为物理吸附。     

芳香型聚胺醚及其连续玻纤增强复合材料的性能研究

以双酚A二缩水甘油醚（DGEBA）和对甲氧基苯胺为单体制备了芳香型聚胺醚,并通过原位聚合的方法制备了连续玻纤增强热塑性聚胺醚（GF/PHAE）复合材料。研究了DGEBA/对甲氧基苯胺体系的反应特性、动态黏度、熔体流动速率（MFR）、耐热性及聚胺醚浇注体和GF/PHAE复合材料的力学性能,采用红外光谱法（FT-IR）对聚胺醚进行了结构分析,并借助SEM分析了GF/PHAE复合材料的断面形貌。研究结果表明：DGEBA/对甲氧基苯胺体系在25 ℃下放置85 min后黏度为2100 mPa•s,黏度较低有利于纤维的浸润;聚胺醚为可熔融的热塑性聚合物,反应时间5 h、反应温度140 ℃下制备的聚胺醚熔融指数较低为1.4 g/10min;聚胺醚的玻璃化转变温度（Tg）为86.7 ℃,起始分解温度为310.2 ℃;聚胺醚浇注体的弯曲强度126.9 MPa,弯曲模量10.2 GPa;当玻纤体积分数为59.3%时,GF/PHAE复合材料弯曲强度1327.2 MPa,弯曲模量21.8 GPa,层间剪切强度86.2 MPa;SEM断面分析表明聚胺醚对玻璃纤维具有良好的界面黏接。     

高温热处理PAN基CF时硼的促进石墨化作用

研究了热处理温度,Ｈ３ＢＯ３溶液质量浓度和ＣＦ在Ｈ３ＢＯ３溶液中的浸泡时间等因素对ＰＡＮ基ＣＦ力学性能和电学性能的影响。并通过考察加和未添加Ｈ２ＢＯ３的ＣＦ分别经高温石墨化热处理后在结构和性能上的差异,对硼在ＰＡＮ基ＣＦ高温热处理时的促进石墨化作用进行了初步探讨。     

导电性吡咯腈纶结构与性能

通过富里哀红外光谱(FTIR)、元素分析、扫描电镜(SEM)、热重量分析(TGA)等测定方法,对导电性吡咯腈纶结构进行了分析,并对该纤维的导电性和物理机械性能等进行了研究。试验结果表明,该导电纤维是一个聚吡咯(PPy)与聚丙烯腈(PAN)的共混体系,所制得的纤维,除了具有导电性,其物理机械性能基本上与普通腈纶相同。该纤维是一种新的具有广泛应用前景的导电纤维材料。     

聚丙烯腈纤维（PAN）液相预氧化工艺研究

预氧化阶段是制备活性炭纤维的关键步骤,为了得到均质和力学性能优良的预氧化纤维,采用液相预氧化法制备了聚丙烯腈（PAN）预氧化纤维.研究了PAN原丝在不同时间和温度液相预氧化条件下力学性能的变化,并采用红外光谱、扫描电镜等对纤维的结构和性能进行了分析.结果表明：随着预氧化的时间和温度的增加,纤维的预氧化程度提高,强力降低...     

激光石墨化沥青基碳纤维的力学性能研究

为提升沥青基碳纤维的力学性能,采用自制的激光超高温石墨化装置对中间相沥青基碳纤维进行石墨化处理。通过改变实验过程中的激光功率、牵伸力及碳纤维直径等3个因素制备了多组样品,研究了沥青基碳纤维拉伸强度随温度的变化规律,并分析了石墨化过程中牵伸力及碳纤维直径对其力学性能的影响。结果表明：沥青基碳纤维石墨化能承受的最大激光功率为360 W,对应的温度约为3 050℃,在此条件下处理得到的碳纤维拉伸强度由1.0 GPa提升至2.5 GPa;在碳纤维的承受范围内,其力学性能随着温度、牵伸力的增加而提高;直径较小的碳纤维力学性能提升更大。     

偕胺肟-钐(Ⅲ)配合物纤维的制备及性能研究

以偕胺肟纤维为基体纤维,与三氯化钐溶液反应,生成俯胺肟-钐(Ⅲ)配合物纤维,用扫描电子显微镜观察偕胺肟-钐(Ⅲ)配合物纤维的形貌.研究偕胺肟-钐(Ⅲ)配合物纤维的荧光性质,结果显示:在λcx=300 nm激发波长下,偕胺肟.钐(Ⅲ)配合物纤维在475 nm处出现荧光发射峰,且随配合物纤维中钐含量的增加而发生改变.对不同钐含量的配合物纤维样本进行了力学性能测试,并与原纤维(PAN)、偕胺肟纤维进行了比较.找出了荧光强度强、力学性能好的钐含量配合物纤维的最佳工艺条件,为荧光纤维的实际应用提供理论依据.     

聚乳酸纤维及其纱线的生产工艺

阐述了聚乳酸纤维乳酸、聚乳酸的生产工艺．对工业生产中聚乳酸的不同合成方法，特别是对乳酸直接聚合法、固相聚合法、丙交酯开环聚合法的原理作了分析．对聚乳酸纤雏的溶液纺丝法、熔融纺丝法的工艺特点作了介绍．并以9．7tex的聚乳酸纤维纱线为例，讨论了纺纱过程中各工序的工艺配置、技术措施及温湿度控制等．