晶态结构对聚丙烯腈(PAN)原丝预氧化反应的影响

对不同晶态结构特点的聚丙烯腈(PAN)原丝进行预氧化处理,采用X射线衍射(XRD)、红外光谱法表征PAN纤维的晶态结构(物理)和化学结构变化。结果表明,PAN原丝的晶态结构影响预氧化反应及反应程度,结晶度小的PAN原丝由于其有序性差,易于向预氧纤维芳构化结构转化,而结构疏松,有利于氧的扩散,促进环化反应和初期氧化反应,PAN纤维芳构化指数和相对环化率都较高,预氧化反应程度较高;原丝结晶度的差异对纤维晶粒尺寸的变化起决定性作用,结晶度大的PAN原丝到预氧化后期仍保持较大的晶粒尺寸。     

晶态结构对聚丙烯腈(PAN)原丝预氧化反应的影响EI北大核心CSCD

对不同晶态结构特点的聚丙烯腈(PAN)原丝进行预氧化处理,采用X射线衍射(XRD)、红外光谱法表征PAN纤维的晶态结构(物理)和化学结构变化。结果表明,PAN原丝的晶态结构影响预氧化反应及反应程度,结晶度小的PAN原丝由于其有序性差,易于向预氧纤维芳构化结构转化,而结构疏松,有利于氧的扩散,促进环化反应和初期氧化反应,PAN纤维芳构化指数和相对环化率都较高,预氧化反应程度较高;原丝结晶度的差异对纤维晶粒尺寸的变化起决定性作用,结晶度大的PAN原丝到预氧化后期仍保持较大的晶粒尺寸。     

聚丙烯腈基炭纤维制备过程中的表面形态和结构研究

为了制备高性能的聚丙烯腈基炭纤维，用SEM和TEM等分析方法跟踪炭纤维生产全过程中纤维微观结构所发生的变化。在湿法纺丝中，控制预牵伸倍数为7倍，调整凝固浴的温度为16℃时，可纺出截面近似圆形的高质量原丝，纤维的截面和表面的微纤比较紧凑，表面缺陷和裂纹较少；原丝经过预氧化后仍保持原来的微原纤结构，纤维外部表层的石墨微晶较大，所含孔隙较少，内部的微晶较小且含有大量孔隙。用高锰酸钾改性原丝能够得到质量优异的预氧化纤维，改性预氧丝的纤维基面增加比未改性的多，基面沿纤维轴排列的程度更高。所制备的炭纤维具有由原丝演变来的微观结构，微纤沿纤维轴高度取向，微纤之间有细长的孔隙，并堆砌在一起形成枝化微纤的伸展网络，炭纤维截面形状也近似为圆形。合理调整制备工艺，得到了强度为3．6GPa-4．2GPa，断裂延伸率为1．6％-1．8％，模量为235GPa-240GPa的聚丙烯腈基炭纤维。结果表明：炭纤维的微观组织结构与原丝的微观组织结构密切相关，高强度、高取向度和结构均匀的原丝是获得高强度和高模量炭纤维的前提。     

聚丙烯腈预氧丝皮芯结构的影响因素与防控措施

在恒温和梯度升温两种模式下,对不同纤度、横截面形状的3种聚丙烯腈原丝进行了预氧化处理,采用扫描电镜、光学显微镜、元素分析等技术研究了预氧丝的皮芯结构及氧元素的扩散。结果表明,对于恒温模式,在250℃加热1h的预氧丝已经产生了明显的皮芯结构,而对于梯度升温模式,直到275℃才开始出现皮芯结构;原丝的横截面形状不影响氧的扩散,在相同加热条件下,肾形截面预氧丝的皮层厚度与圆形截面的相同;原丝纤度越小,越容易获得均质的预氧丝。原丝的细旦化以及适当的梯度升温预氧化工艺是获得优质预氧丝的重要保证。     

牵伸环境对聚丙烯腈原丝取向结构的影响

借助于声速仪、X射线衍射仪研究了不同环境下聚丙烯腈(PAN)纤维在牵伸作用下取向结构的变化。结果表明:溶剂、热的单独或协同环境下,牵伸可使PAN纤维的全取向和晶区取向提高,全取向因子的增加幅度大于晶区取向因子的增加幅度;高压水蒸汽环境的牵伸,对PAN纤维取向度影响更加明显;在相同的热处理温度条件下,PAN原丝的取向程度越高,其预氧纤维的预氧化程度越低。     

炭纤维前驱体聚丙烯腈原丝的制备及其热稳定化

采用丙烯腈（AN）与衣糠酸（IA）自由基溶液共聚合，以偶氮二异丁腈（AIBN）为引发剂，在二甲基亚砜（DMSO）中合成了聚丙烯腈纺比还,率湿法纺丝制得聚丙烯腈（PAN）原丝。研究了各种工艺条件，如含固量；牵伸倍数；凝固浴浓度，温度，预热浴温度等对聚丙烯腈原丝结构与性能的影响。分析了纤维成型时出现的各种异常现象。通过对聚丙腈原丝热稳定化工艺过程及纤维扫描电镜的研究，发现原丝经热稳定化后其断面形态结构有遗传，发展现象。     

凝胶化PAN纤维的微结构特征

借助于X射线衍射仪、声速取向度测量仪、扫描电镜、小角X光散射仪等研究了凝胶化聚丙烯腈(PAN)纤维的聚集态结构和形态结构特点。结果表明,与常规高温凝固和低温凝固成型方式得到的PAN纤维相比,凝胶化凝固形成的初生纤维和原丝晶粒尺寸小,在牵伸相同的情况下,凝胶化凝固原丝取向结构最高,表明其结构对张力的响应性较好;凝胶化凝固的PAN初生纤维截面结构致密、内外均匀,表面沟槽深且均匀规则,凝胶化凝固的原丝微孔相对体积含量最小。     

共聚单体改性PAN原丝热性能研究

采用溴化1-烯丙基3-乙基咪唑(VIM-Br)与丙烯腈(AN)自由基溶液共聚,以偶氮二异丁腈为引发剂在二甲基亚砜中合成了聚丙烯腈(PAN)纺丝溶液,并用湿法纺丝纺制得了PAN原丝。运用差示扫描量热分析(DSC)、红外光谱(FT-IR),13 C固体核磁(13 C-NMR)研究了VIM-Br对PAN原丝预氧化热性能的影响。结果表明,在预氧化反应过程中,含有强极性Br原子的共聚单体VIM-Br能够催化环化反应,降低预氧化起始反应温度,缓和预氧化反应放热;和传统共聚单体衣康酸(IA)相比,VIM-Br的空间效应为氧气向PAN纤维内部扩散提供了分子级的通道,增加了进入纤维内部的氧气量,提高了预氧化反应程度。     

H2O2改性对聚丙烯腈原丝化学结构的影响

为节省预氧化进程的能耗和时间并优化聚丙烯腈（PAN）预氧纤维的性能,用H₂O₂改性PAN原丝,使其提前环化。采用FTIR、XPS等方法表征不同处理温度获得的未改性和改性PAN原丝。结果表明:H₂O₂水溶液在60℃改性PAN原丝时,H₂O₂可引发氰基环化,末端环发生亚胺、烯胺互变异构,由此出现亚氰基、类芳香伯胺;改性温度越高,改性PAN原丝的亚氰基含量、共轭程度越大。在模拟稳定化过程中,改性PAN原丝的类芳香伯胺可在较低温度下引发相邻氰基环化。使用氨水（NH₃H₂O）作为助剂获得改性PAN原丝,与未改性PAN原丝经历相同的预氧化进程,改性后的PAN原丝能在较短时间内达到适合的预氧化程度,且PAN预氧纤维径向结构的均匀性被改善,由此获得热稳定性更高的PAN预氧纤维。      

干湿法聚丙烯腈原丝预氧化特性研究

聚丙烯腈(PAN)溶液通过空气层进入凝固浴成纤制备干湿法原丝。采用X光衍射(XRD)、声速仪、原子力显微镜(AFM)表征干湿法原丝的结构,利用差示扫描量热仪(DSC)、固体核磁谱(NMR)、元素分析仪(EA)等研究了干湿法原丝的预氧化反应性质。结果表明:与湿法原丝相比,干湿法原丝表面光滑、结构致密。结构致密程度的差异,不影响干湿法原丝在氮气中预氧化过程的环化和脱氢反应,但极大影响了有氧介质中的环化、脱氢和氧化反应,使预氧化反应滞后。与湿法原丝的预氧温谱相比,干湿法原丝预氧温谱更高,特别要提高高温区的预氧温度。     

湿法纺聚丙烯腈原丝凝固过程的研究

为了研究丙烯腈湿法纺丝中,温度、浓度和负牵伸等凝固条件对原丝结构和性能的影响,借助扫描电镜,电子探针、元素分析仪等对初生原丝结构和性能进行了探索,结果发现：在一定范围内提高凝固浴浓度、适当降低凝固负牵伸、升高凝固浴温度,有利于获得圆形截面的纤维;升高凝固浴温度,增加凝固牵伸有利于纤维结晶度的增加。     

聚丙烯腈基炭纤维的制备

采用丙烯腈（AN）与衣糠酸（IA）自由基溶液共聚合,以偶氮二异丁腈（AIBN）为引发剂,在二甲基亚砜（DMSO）中合成了聚丙烯腈肪丝溶液,经湿法纺丝制得聚丙烯腈（PAN）原丝。在原丝牵伸的最后一般用CoSO4水溶液浸渍改性。利用SEM、TEM和热稳定化过程研究等方法进行对比研究改性前后纤维的结构与性能。结果表明：CoSO4能催化PAN原丝的热稳定化、环化反应,缩短预氧化时间,并能提高最终炭纤维的机械性能。     

牵伸对聚丙烯腈纤维晶态结构的影响及调控

通过不同牵伸工艺制备聚丙烯腈纤维,运用X射线衍射进行表征,研究凝固浴牵伸、水浴牵伸以及沸水牵伸对纤维晶态结构的影响。结果表明,凝固过程是PAN大分子晶态结构成型的重要阶段,该阶段晶核已经基本形成。凝固浴牵伸的增大有利于分子链段由螺旋构象向锯齿构象转变,大分子链段的有序排列,结晶度和晶粒尺寸均有一定程度的提升,但折叠链段的减少不利于大分子成核过程的进行。水浴牵伸及蒸汽牵伸均有助于纤维晶态结构的完善,对分子成核影响不大。通过改变聚丙烯腈原丝制备过程中各流程的牵伸比能够实现对PAN大分子晶态结构的调控。     

湿法纺聚丙烯腈纤维的截面形貌与皮芯结构的研究

利用电子探针、扫描电镜研究了聚丙烯腈在湿法纺丝工艺中的横截面形貌与皮芯结构.结果表明凝固浴温度会影响初生纤维的横截面形貌与芯部结构.在较高的凝固浴浓度下,较高的凝固浴温度可使双扩散速率增加,扩散比较充分,纤维横截面形状趋于圆形,芯部空洞减少,密度提高,其原丝具有较优的物理机械性能.原丝扫描电镜分析证实,原丝为皮芯多层结构组织.     

聚丙烯腈原丝氧化工艺的研究

研究了原丝在氧化过程中体密度、线密度、力学性能、环化交联程度、元素组成的变化,结果表明:(1)随着氧化温度的加深,预氧丝交联度和环化指数增加,线密度降低,体密度增加,预氧丝模量、断裂伸长和强度降低。(2)随着氧化程度的加深,纤维致密性增加。(3)随着氧化程度的加深,纤维C、H、N元素含量及H/C、N/C比例逐步降低,预氧丝总体O和O/C增加,在氧化反应初期纤维Si含量迅速减少,然后基本稳定。(4)氧化过程中预氧丝表面的O含量基本恒定,预氧丝表面的含氧量高于中心含氧量。     

成纤过程对PAN纤维晶态结构的影响

聚丙烯腈(PAN)原丝的晶态结构形成与其在制备过程所经历的传热、传质及力场作用有关,采用X射线衍射、紫外光谱和万能材料试验机等研究了不同外场环境下PAN原丝的晶态结构特征。研究结果表明,低温凝固成纤以传热为主,形成的初级凝胶网络结构物理交联点多,PAN纤维结晶度较大,晶粒尺寸较小;高温凝固成纤以传质为主,凝固剂水的扩散力使得PAN纤维结晶度较小,晶粒尺寸较大。较低温度下随着牵伸倍数的增加,PAN纤维结晶度增大,但晶粒尺寸变化较小。总牵伸一定时,结晶度变化不大,但随着较高温度牵伸倍数的增大,晶粒尺寸增长明显。     

凝固浴条件对PAN纤维结构及性能的影响

利用元素分析仪、X射线衍射仪、电子探针等手段,研究了温度、浓度等凝固浴参数对聚丙烯腈初生纤维及最终原丝结构和性能的影响,得到了湿法纺丝中制备高性能原丝的最优凝固工艺条件。结果表明:凝固浴温度60℃、浓度65%条件下,初生纤维及PAN原丝的晶粒尺寸最小、结晶度最高,初生纤维残留溶剂的含量较低、横截面形状近似圆形。     

KMnO4改性对聚丙烯腈原丝结构和性能的影响

用KMnO4对聚丙烯腈原丝进行化学改性处理,并通过傅立叶变换红外光谱仪、X射线衍射仪、示差扫描量热仪等测试手段研究了改性前后原丝的反应动力学,热性能,化学结构以及晶体结构的变化.结果表明,聚丙烯腈原丝经KMnO4改性处理后,环化反应所需的激活能降低,使原丝能在比较低的温度下开始环化反应,同时环化反应的放热量也有所增加;由于KMnO4的催化作用,使得改性处理后的PAN原丝形成了-C=C-共轭结构;经KMnO4改性后原丝的晶体尺寸有所减小,这样有利于预氧化阶段氧的扩散,促进预氧化阶段的结构转变.     

织构可控多孔炭纳米纤维的制备及其室温脱除低浓度氮氧化物（英文）

采用静电纺丝法制备聚丙烯腈纤维,经预氧化、炭化和活化,得到具有孔径发达和比表面积大的多孔炭纳米纤维。控制纺丝液的浓度和活化条件,可制得织构可控的多孔炭纳米纤维。将所制备的纤维用于室温低浓度NO(20 ppm)的脱除,脱除效果主要基于吸附和催化氧化作用。纤维的织构影响其脱除NO的性能,直径越小、微孔越丰富、比表面积越大,对NO的吸附与催化氧化效果越好。当NO进口浓度为20 ppm时,在900℃下活化的平均直径为175 nm的多孔炭纳米纤维脱除NO率可高达29.7%。     

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。