BCF的热氧稳定化研究

采用连续实验方法,借助X射线衍射、红外光谱、元素分析、力学测试等技术,系统地研究了热氧稳定化过程中聚丙烯腈纤维序态结构、化学结构与生物碳纤维吸附特性、力学性能的内在关联与作用.研究结果表明:聚丙烯腈基热氧稳定化纤维晶区尺寸、取向指数等结构参数与BCF比表面积、吸附特性及力学性能的优劣具有直接内在联系.在热氧稳定化过程中增加聚丙烯腈纤维热氧稳定化结构转化有益于改善生物碳纤维吸附特性,且与生物碳纤维力学性能的变化密切相关.     

碳纤维的电化学表面改性及其表面结构演变

采用电化学氧化法对聚丙烯腈(PAN)基碳纤维进行表面改性,联用场发射扫描电子显微镜(FESEM)、拉曼光谱(Raman)和X射线光电子能谱(XPS),表征了碳纤维表面物理化学结构。结合力学性能分析,评价了碳酸氢铵、氯化铵和硫酸铵三种电解质的改性效果,解释了碳纤维表面薄弱层产生的原因,分析了电化学改性碳纤维表面的机理。结果表明,在电化学改性过程中,碳纤维表面活性氧含量呈现梯形变化趋势,最高增幅达87.8%,而活性氮含量则不断增加直到饱和,可达到2倍增幅;相对于羧基等含氧基团,碳纤维复合材料(CFRP)层间剪切强度(ILSS)对胺基等含氮官能团更加敏感;当电解质中存在二价阴离子时,有利于减小碳纤维抗张强度的损失,甚至使其得到提高。     

一步活化法制备过程中H2O蒸气对聚丙烯腈基活性碳纤维(PAN-ACFs)结构性能的影响

以Courtaulds纤维为原料,采用连续化碳纤维生产线制备出稳定的预氧纤维,通过连续化活化炉进行预碳化和水蒸气物理一步活化,制备出具有高吸附性能和高拉伸强度的聚丙烯腈基活性碳纤维（PAN-ACFs）丝束。借助比表面积（BET）、广角X射线衍射（WAXD）、力学性能和碘吸附等表征测试手段研究了水蒸气量对PAN-ACFs孔结构及力学性能的影响。结果表明：在适当的活化时间、活化温度下,逐步增加水蒸气的流量,活性碳纤维的吸附能力先快速增大,而后稳定,最后再缓慢地增加;纤维的拉伸强度呈现出先增大后减小的变化趋势;当水蒸气流量为1g/min,起始的温度为650℃,高温区为850℃,活化时间为20min时,所制备的PAN-ACFs具有相对较高的吸附性能、力学性能和碳化收率。     

炭化气流诱导效应对聚丙烯腈基碳纤维微观结构和力学性能的影响

采用广角X射线衍射(WAXD)、气相色谱(GC)、元素分析(EA)、扫描电子显微镜(SEM)等表征手段定量分析了炭化气流诱导效应对聚丙烯腈(PAN)基碳纤维聚集态结构及力学性能的影响。结果表明,PAN基碳纤维密度与炭化气流具有显著关联性,逆向气流可有效提高纤维密度,改善致密性;PAN基碳纤维的晶区含量同时取决于晶粒的大小和数量,逆向炭化气流有利于小晶粒的形成和晶区含量的提高,并对孔隙的形成具有抑制作用。保持炭化逆向气流比为3时,所得PAN基碳纤维的微晶尺寸(1.52nm)较小,晶区含量(35.2%)最高,孔隙率(16.2%)较低,此时拉伸强度(4.03GPa)最高,比正向气流条件下制备的PAN基碳纤维的拉伸强度提升了35.7%。     

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。     

预炭化温度对聚丙烯腈基活性碳纤维结构与力学性能影响初探

采用连续化碳纤维实验装置制备活性碳纤维,借助广角X射线衍射(WAXD)、元素分析(EA)、比表面积(BET)、力学性能及碘吸附等表征测试手段研究了预炭化温度对聚丙烯腈基活性碳纤维(PAN-ACFs)结构与力学性能的影响。结果表明:PAN-ACFs的N元素质量分数、孔结构、晶粒尺寸是影响PAN-ACFs力学性能的重要因素,且随着预炭化温度的升高均呈现先减小后增大的趋势;当预炭化温度为680℃时,所制备的PAN-ACFs吸附性能较好,力学性能较佳,此时晶粒尺寸La为1.08nm,N元素质量分数5.7%,平均孔径0.81nm。     

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。