Effect of Post Spinning Modification on the PAN Precursors and Resulting Carbon Fibres

The impregnation of a special grade polyacrylonitrile(PAN) precursor fibres was carried out in a 8 wt.% KMnO4 aqueous solution to obtain modified PAN precusor fibres.The focus is primarily on the effects of modification on the structure and the pbysical properties of precursor fibres,thermal stabilised and their resulting carbon fibres,which were characterized by the combination use of densities,wide-angle X-ray diffraction(WAXD),X-ray photoelectron spectroscopy(XPS),Elemental analysis(EA),Fourier transform infrared(FT-IR) and seaming electron microscope(SEM),etc.KMnO4 as a strong oxidizer can swell,oxidize and corrode the skin of a precursor ibre,transform partly C≡N groups to C=N ones,decrease the crystal size,increase the orientation index,increase the crystallinity irdex,furthemore ircrease the densities of modified PAN precursors and resulting thermal stabilised fibres.As a result,the carbon fibres dcveloped from modified PAN fibres show,an improvment in tensile strength of 31.25% and an improvement in elongation of 77.78%,but a decrease of 16.52% in Young's modulus.     

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。     

预炭化过程中升温速率对碳纤维结构与性能的影响

借助13C核磁共振波谱（13C-NMR）,X射线衍射（XRD）,拉曼光谱（Raman）等表征手段,研究了预炭化过程中聚丙烯腈基热氧稳定化纤维的热化学反应以及微观结构的变化,且重点研究了预炭化过程（400~800 ℃）升温速率对纤维热应力、结构、力学性能的影响。结果表明：随着预炭化升温速率的提高,纤维类石墨层间距 d₀₀₂ 呈现出先减小后增大,晶区堆叠厚度 L_c 呈现出先增大后减小的的趋势;与之相对应的纤维拉伸强度和拉伸模量则呈现出先增大后减小的变化;当升温速率达到132 ℃/min时, d₀₀₂ 和 L_c 分别出现最小值和最大值,此时所得碳纤维的力学性能最高。     

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。     

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。     

聚丙烯腈纤维热稳定化反应动力学研究

采用“改进Coats-Redfern”法,通过差式扫描量热(DSC)研究了聚丙烯腈(PAN)纤维在惰性气氛中的热稳定化反应动力学,探索了PAN纤维在惰性气氛中的热稳定化反应机理。结果表明：在40~400℃范围内,PAN纤维在惰性气氛中的热稳定化反应总体上符合一级的反应级数模型,计算得到表观反应活化能E_a=177.1kJ/mol;进一步分区通过分区研究和计算,提出了“三区域反应动力学模型”,此模型的计算值与实验值相吻合,能很好地预测PAN纤维在不同升温速率时的热行为;初步提出了PAN纤维在惰性气氛中的热稳定化反应机理。     

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.     

聚丙烯腈(PAN)原丝在预氧化过程中的热机械行为--收缩应力变化的研究

运用自制热机械模试装置对几种商业用ＰＡＮ原丝在预氧化过程中的热机械行为进行了测定,从收缩应力变化结果发现,其应力变化曲线均存在两个特征峰,即在物理变化区（２００℃以下）和化学变化区（２００℃以上）内的收缩应力峰。物理收缩应力峰大小与原丝的加工热历史密切相关。对两种不同热历史的ＰＡＮ纤维进行了连续预氧化及碳化实验,对比了所制得碳纤维的性能,从而通过对ＰＡＮ纤维的热机械行为测定来评定原丝的质量优劣     

Influence of Thermal Treatment on the Structure and Thermal Properties of Kaolin Modified Polyester Fibers

Modified polyester fibers were obtained using 2% and 6% of kaolin blends through melt spinning.The influences of two thermal treatments maintaining the original tension(180 ℃×2 min and 200 ℃×1 min)on the structure and properties of fiber were compared.The changes of grain size and crystallinity of fiber were investigated by X-ray diffraction(XRD).The changes of thermal properties of fibers were analyzed using dynamic mechanical analyzer(DMA).The results show that the crystalline structure of kaolin modified polyester fiber doesn't change with the thermal treatment.With the kaolin content increasing,the grain size of fiber changed.The higher the thermal treatment temperature is,the higher the crystallinity of fiber is.There are two glass-transition temperatures for kaolin modified:the lower one is the glass-transition temperature of polyester fiber matrix,and the higher one is derived from the heterogeneous blend of polyester matrix and nano kaolin.The higher the kaolin content is,the higher the glass-transition temperature is.Thermal treatment could increase the compatibility of polyester matrix and nano kaolin.There was only one glass-transition temperature for the thermal treatment fiber,and the heat resistance of fiber was improved.Thermogravimetric analysis-differential scanning calorimetry(TGA-DSC)results of kaolin modified polyethylene terephthalate(PET)matrix indicate that the decomposition temperature of PET fibers,kaolin modified PET fibers,and thermal treated fibers were little different within 40%-60% of weight loss rate range.     

电沉积Fe-P合金镀层催化碳纤维石墨化研究

研究了电沉积Fe-P合金镀层对碳纤维的催化石墨化效果以及镀层组成对催化石墨化温度的影响.采用X-射线衍射、拉曼光谱及扫描电子显微镜等方法表征了空白样碳纤维与含Fe-P合金镀层碳纤维经不同温度热处理后的结构变化.研究结果表明,Fe-P合金对碳纤维的石墨化具有显著的催化效果.含Fe-P合金催化剂(P质量分数为7%)的聚丙烯腈基碳纤维经1 000℃热处理后,其石墨化度可达到71%,而不含Fe-P合金的空白样碳纤维经2 800℃热处理后石墨化度仅为30.1%,Fe-P合金催化剂大幅度降低了碳纤维的石墨化温度.同时,碳纤维的石墨化度随着Fe-P合金催化剂中P质量分数的增加而增大;随着Fe-P合金电沉积时间的延长而增大,直到镀层厚度达到一定值.本文还就Fe-P合金对碳纤维的催化石墨化机理进行了讨论,结果表明Fe-P合金对碳纤维的催化石墨化遵循溶解-析出机理.     

Wool Surface Modification and Its Adhesion with Nano Finishing Agent

The launderability of wool fabrics treated by nano finishing agent influences directly the functional endurance of the treated wool fabric.In order to investigate the effect of wool fibers surface modification on the functional endurance of nano finishinp wool fibers,in this paper,for the first time wool fibers were chemically modified by using NaClO aqueous and KMnO4 aqueous,and then chemically modified wool fibers and native wool fibers were treated using nano ZnO finishing agent,respectively.The laundera...     

高锰酸钾改性对活性炭吸附Cr(Ⅵ)的影响

采用KMnO4溶液在回流状态下对颗粒活性炭进行改性,得到新的改性炭。考察了高锰酸钾浓度、pH值、投加量、吸附时间对Cr(Ⅵ)去除率的影响,并测得吸附等温线。结果表明:改性炭对Cr(Ⅵ)的吸附在低pH值时效果更好,且当KMnO4浓度为0.03～0.04mol/L时,得到的改性炭吸附性能非常好;在pH值为4.0及25℃条件下,AC-3(吸附剂编号)对Cr(Ⅵ)的饱和吸附量比AC-0提高了11.6%;当温度由25℃升高到40℃时,AC-3对Cr(Ⅵ)的饱和吸附量提高了28.0%;改性炭对Cr(Ⅵ)的吸附作用符合Langmuir方程。     

抽油杆用CF/VE拉挤复合材料在盐溶液中的老化机理

文中研究了95℃盐溶液(3%NaCl水溶液)中油田抽油杆用碳纤维/乙烯基酯树脂(CF/VE)单向拉挤复合材料的吸湿特性,以及材料的静态力学性能和动态热机械性能的变化,并用SEM观察了弯曲断口形貌。结果表明,该复合材料的吸湿行为符合菲克第二定律,材料的平衡吸湿率Mm 约为0.778%,水分在该复合材料中的扩散系数约为4.988×10^-6mm²/s;复合材料的性能下降趋势与吸湿率的增加趋势相对应,浸泡1176h后 ,弯曲强度和层间剪切强度的最终保留率分别约为63%和66%;DMTA及SEM结果表明,复合材料的性能变化是由基体溶胀塑化、界面脱粘以及基体、界面的形貌变化引起的,未发生化学反应     

高锰酸钾改性活性炭的表征及其吸附Cu2+的性能

为提高活性炭对废水中Cu2+的去除效率,用不同浓度的KMnO4溶液,采用静置氧化/冷凝回流法对颗粒活性炭进行改性。采用BET,SEM,FT-IR和XRD等方法对改性活性炭的理化性质进行表征;探讨改性活性炭投加量、pH、吸附时间、温度对吸附Cu2+的影响。研究结果表明:当Cu2+质量浓度为20 mg/L,投加量为5 g/L时,0.01KMnO4-GAC和0.03KMnO4-GAC对Cu2+的吸附去除率分别达到84%和95%,分别是GAC的1.20和1.36倍;吸附剂在5 g/L投加量时,180 min基本达到吸附平衡;3种吸附剂对Cu2+的吸附,随着pH的降低而减少;温度对活性炭吸附Cu2+的影响相对较小。     

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.     

聚丙烯腈预氧纤维致密结构的温度时间效应

研究了聚丙烯腈(PAN)纤维在预氧化过程中致密结构的温度时间效应,通过体密度表征纤维的致密结构,并结合其他预氧参数如环化指数、环化度、氧含量及相对环化率的变化,全面分析研究了致密结构的形成演变特征及其梯度预氧化的温度效应和时间效应。结果表明：PAN预氧纤维环化程度的增高有利于致密结构形成,且碳纤维的力学性能与致密结构相关;PAN预氧纤维致密结构的温度效应体现在促进交联芳构化反应上,生成交联环化致密结构;时间效应表现为提高纤维的氧化能力,生成含氧环化梯形的致密结构。     

MnO2/C复合纳米纤维纱线的制备及其导电性能

采用共轭静电纺丝法制备聚丙烯腈(PAN)纳米纤维纱线,并在不同温度下将PAN纳米纤维碳化得到碳纳米纤维纱线。以KMnO 4为锰源,通过水热合成法在碳纳米纤维纱线上原位生长纳米二氧化锰(MnO 2),形成MnO 2/C复合纳米纤维纱线,分别采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)、扫描电子显微镜(SEM)、场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)、数字万用表对碳纳米纤维纱线和MnO 2/C复合纳米纤维纱线的化学组成、表观形貌、电学性能等进行表征,并分析碳化温度对碳纳米纤维纱线的形貌和电学性能的影响,以及水热反应中盐酸浓度对纳米MnO 2形貌和MnO 2/C复合纳米纤维纱线的影响。结果表明:碳化温度越高,得到的纱线表面越光洁,石墨化程度越高,电学性能也越好,1000℃碳化工艺得到的碳纳米纤维纱线电导率最高,为31.5 S/cm;与MnO 2复合后的碳纳米纤维纱线电导率大幅下降,当盐酸与高锰酸钾摩尔浓度比为4∶1时得到的复合纳米纤维纱线的电导率最高,为0.1200 S/cm。     

热氧化对PAN基碳纤维结构与性能的影响

将PAN基碳纤维在于400~700℃条件下空气中进行热氧化处理,然后利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)、密度梯度管和纤维强力仪研究了其表面化学组成、表面形貌与性能的变化。结果表明:热氧化温度低于600℃时,纤维表面含氧量随热氧化温度升高不断增加,到600℃时氧含量增加了7.11%,主要增加的官能团为羟基、醚键以及羰基,纤维体密度、线密度随热氧化温度变化不明显;700℃时由于含氧官能团的裂解,氧含量有所减少,裂解部分主要为羰基,纤维体密度明显增加,线密度急剧减小;纤维强度随热氧化温度升高不断减小,600℃后减小趋势更加明显;模量随热氧化温度变化不明显。     

力场效应在聚丙烯腈分子热分解环化初期的作用

采用X-射线衍射、声速仪和红外光谱研究了聚丙烯腈(PAN)纤维在分子热分解—环化演变初期张力的作用,结果表明：在PAN纤维氰基热分解环化初期,张力可以增加纤维中分子聚集态结构的有序化程度;有利于PAN纤维构型的转变和完善原丝原有结构,随张力的增大,PAN纤维的全取向度和结晶度也是增加的;另外,张力可以促进PAN纤维分子的热分解环化反应,尤其是分子内的环化反应,当牵伸达到4%以后可以使微晶尺寸变小,这对提高纤维强度是有利的。     

Structural characteristics,dispersion, and modification of fibrous brucite

Fibrous brucite has very unique structure and physical properties. Brucite fibers were exfoliated into single nanofibers by using dioctyl sodium sulfosuccinate (AOT) as a dispersant through mechanical agitation and ultrasonic dispersion; and then, the nanofibers were modified by stearic acid and (3-aminopropyl)triethoxysilane (γ-APS) compound modification agent. The nanofibers were characterized by using X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), and thermal gravimetric analysis. It is found that AOT has good effect on the dispersion. The single fiber has a consistent morphology, and fibrous brucite is dispersed and modified without destroying the crystal structure. Infrared and thermal analysis shows that the surface modification of fibrous brucite is achieved by forming chemical bonds between the coupling agent and magnesium hydroxide.