PAN预氧化纤维结构与热处理温度的关系

在空气气氛中不同温度下对聚丙烯腈(PAN)原丝热处理8 h,制得PAN预氧化纤维。借助差示扫描量热分析、红外吸收光谱、X射线衍射、固体核磁等测试手段,表征了不同温度处理的PAN纤维的预氧化程度,研究了PAN预氧化纤维的结构特点。结果表明:不同温度下PAN纤维的预氧化程度不同,随着温度的提高而提高;PAN纤维预氧化程度不同,缘于不同温度下预氧化反应差异造成的预氧化结构的不同;预氧化温度越高,未环化的C≡N结构中共轭的C≡N结构相对含量越多,不利于进一步环化;环化反应在190~220℃较剧烈,在220℃以后反应趋于缓和;脱氢反应在190~210℃比较缓慢,在温度高于220℃开始剧烈进行;190℃以上发生氧化反应。     

增塑熔纺聚丙烯腈纤维的预氧化过程

以增塑熔纺聚丙烯腈(PAN)纤维为研究对象,借助于傅里叶变换红外光谱对其结构以及预氧化过程中官能团的变化进行了分析研究,并进一步研究了预氧化温度和时间对反应程度的影响。研究结果表明:熔纺PAN纤维在纺丝过程中已发生了部分环化,其环化度为0.18;反应程度随着预氧化温度的升高逐渐增大,但在230℃之后变化不明显;预氧化时间对预氧丝的反应程度具有类似的影响,在预氧化20 min时反应程度迅速增大,但进一步延长预氧化时间,预氧丝的反应程度增幅较小。     

磷酸二氢铵对聚丙烯腈纤维预氧化程度及热稳定性的影响

聚丙烯腈(PAN)纤维的预氧化过程是PAN基炭纤维生产中最耗能耗时的阶段。为了加快PAN纤维的预氧化过程,提高PAN纤维的预氧化程度,采用非金属化合物磷酸二氢铵(NH_4H_2PO_4)对PAN纤维进行改性,探讨了磷酸二氢铵对PAN纤维化学结构和热性能的影响。通过傅里叶红外光谱(FT-IR)和X射线衍射(XRD)分析得到,PAN纤维的预氧化程度随着预氧化温度和试验设定的NH_4H_2PO_4浓度范围内升高而升高。与未改性PAN纤维相比,相同温度下,改性PAN纤维环化度更高,在180℃和200℃低温条件下更为明显,240℃及260℃的促进效果一般,另外改性PAN纤维在240℃可提前完成环化反应。热重(TGA)结果表明,NH4H2PO4受热分解产生的磷酸与羟基反应导致分子链交联,能降低预氧化过程中的热失重,提高热稳定性。     

预氧化过程中聚丙烯腈纤维结构与性能的变化

综述了聚丙烯腈(PAN)纤维在预氧化过程中的反应机制,分析了预氧化过程中纤维颜色、元素含量、纤维结构、力学性能的变化以及金属离子对于预氧化的影响。结果表明:PAN原丝在预氧化过程中发生的环化、氧化、脱氢反应,在很大程度上受到预氧化温度、预氧化时间和施加在纤维上的张力的影响。     

硼酸改性PAN热稳定化行为的研究

将硼酸直接加入聚丙烯腈(PAN)聚合液中,制成硼酸改性PAN膜,采用差示扫描量热(DSC)法、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、元素分析等手段分析了硼酸对PAN热稳定化过程的影响。结果表明:硼酸改性提高了PAN的热稳定化反应活化能,并使放热峰值温度提高,当硼酸质量分数为2%时,活化能达271.27kJ/mol;硼酸含量越高,对环化反应的抑制作用越强,相对环化率越低;经过相同时间预氧化,改性PAN氧含量相对较低,硼酸改性阻碍了致密氧化层的快速形成,有利于减轻皮芯结构。     

PAN/Cellulose复合纤维制备碳纤维的研究

以聚丙烯腈(PAN)/纤维素(Cellulose)复合纤维为碳纤维前驱体,通过预氧化、碳化工艺处理,制备了PAN/Cellulose基复合碳纤维,对前驱体复合纤维PAN/Cellulose与所得碳纤维的结构及性能进行了研究。结果表明:相比PAN纤维,PAN/Cellulose复合纤维的结晶度和晶粒尺寸减小,环化反应活化能降低了约40 k J/mol;Cellulose具有促进石墨化的效果,PAN/Cellulose基复合碳纤维的电阻率较PAN基碳纤维提高了112.7%,这将有助于拓展PAN基碳纤维在民用隔热材料领域的应用。     

TGA-FTIR联用技术研究PAN预氧化纤维的热解

采用热重-傅里叶变换红外光谱(TG-FTIR)联用技术研究了N_2气氛下不同PAN预氧化纤维的热稳定性及其热解气体的种类、分布和裂解机理。结果表明,在主要热解温度范围内,PAN预氧化纤维的气相产物主要是H_2O,CO_2,CO,CH_4,HCN和NH_3;PAN预氧化纤维在N_2气氛中的热解可以分为低温区的环化脱氢和高温区的交联重排两个阶段;在一定范围内,预氧化程度高的纤维热稳定性更高,失重较低。     

硫酸处理聚丙烯腈预氧化纤维的研究

采用不同浓度的硫酸对聚丙烯腈(PAN)预氧化纤维进行处理。介绍了硫酸对PAN预氧化纤维的作用机理,探讨了硫酸浓度和处理时间对PAN预氧化纤维结构和质量的影响。通过扫描电镜(SEM)观察并定量评价纤维皮芯结构。借助傅里叶变换红外光谱(FTIR)和X射线衍射(XRD)手段对硫酸处理的PAN预氧化纤维的化学组成和晶体结构进行表征。结果表明:PAN预氧化纤维经过不同浓度硫酸处理后,通过SEM能够观察到预氧化纤维的皮芯结构,经98%硫酸处理2 min后出现孔洞,在10 min后芯部比例为10.9%,趋于稳定;在硫酸处理过程中,纤维中氰基发生水解,环化结构(C=C/C=N)特征吸收峰因化学环境的改变而红移;PAN微晶结构受到硫酸破坏,预氧化纤维环化结构仍然保存。     

金属离子对聚丙烯腈纤维预氧化过程的影响

采用浸渍的方法将不同种类金属离子Na、Ca、Fe引入聚丙烯腈(PAN)纤维,并将PAN纤维在空气中进行预氧化处理。借助于原子吸收光谱(AAS)、元素分析(EA)研究了PAN预氧化纤维的组成;通过X射线衍射(XRD)、傅立叶变换红外光谱(FTIR)、差示扫描量热分析(DSC)、热失重(TG)等多种表征手段,研究了PAN预氧化纤维的结晶结构、化学反应及热性能,从而研究了金属离子对聚丙烯腈纤维预氧化过程的影响。从多种表征手段的研究结果表明,金属离子影响了PAN纤维预氧化进程,具体表现为添加金属离子后,PAN预氧化纤维组成改变,密度降低,代表分子环化反应所产生的六元环特征衍射峰增长缓慢,代表原丝结晶结构的特征衍射峰消失迟缓,代表环构化的官能团较少,含有金属离子的PAN预氧化纤维由于预氧化不足导致在氮气气氛下放热量增加,热失重增加。     

聚丙烯腈基预氧化纤维环化程度及力学性能的表征

以聚丙烯腈(PAN)基碳纤维原丝为原料制成预氧化纤维(PANOF),采用芳构化指数(AI)和差热分析法测定了PANOF的环化指数,研究了预氧化温度和时间对其环化程度和力学性能的影响。结果表明,AI实际上反映了吡啶环与氰基间交联程度。在吡啶基与氰基间的交联点数未达到极大值前,AI才能表征PANOF的环化程度。随预氧化温度升高和预氧化时间的延长,PANOF的环化程度提高,断裂强度和断裂伸长率降低。     

硼酸改性对聚丙烯腈纤维预氧化的影响

通过在线监测聚丙烯腈(PAN)纤维的热收缩应变和应力,研究了硼酸改性对PAN纤维预氧化的影响。试验结果表明:随着硼酸溶液浓度的增加,PAN纤维化学反应的起始和结束温度向高温方向移动,化学收缩量降低,预氧化纤维体密度逐渐降低,硼酸对PAN纤维化学反应有抑制作用;硼酸对分子内环化和分子间交联反应的抑制可有助于预氧化纤维均质化程度的提高,并可防止PAN纤维表面在较高温度下被过度氧化。     

PAN 基碳纤维预氧结构形成过程中的纤维尺寸效应

对预氧纤维进行预处理以达到脱除纤维中未环化分子的目的,借助X射线衍射（ XRD ）,拉曼光谱（ Ra-man）,红外吸收光谱（ FTIR）分析、差示扫描量热（ DSC）分析对两种不同纤度预处理前后的聚丙烯腈（ PAN）氧化丝进行了研究,并初步讨论了PAN纤维尺寸效应对预氧结构的影响机理。研究结果表明：同等条件下低纤度PAN纤维得到的预氧纤维环化程度较高,皮芯结构不明显,并且低纤度预氧纤维的环化结构中SP2杂化碳含量较高,且SP2杂化碳中芳香碳含量较高。     

DSC法研究聚丙烯腈纤维的环化反应动力学

通过差示扫描量热(DSC)法研究了聚丙烯腈(PAN)纤维的热性能及其在不同升温速率下的环化反应动力学。结果表明:PAN纤维在氮气气氛中只发生环化反应,DSC曲线的放热峰尖而窄。根据Kissinger法得出其活化能为66.86 kJ/mol,反应级数为1。由DSC曲线及外推法得到升温速率为0时,其放热峰峰值为256.8℃。随着稳定化时间的增加,PAN纤维的环化度增大,纤维稳定化程度提高。     

聚丙烯腈纤维制备碳纤维的研究—X射线衍射法的应用

本文综述了利用广角X射线衍射分析研究聚丙烯腈(PAN)纤维制备碳纤维的预氧稳定化过程。X射线衍射法在表征PAN原丝纤维序态结构、玻璃化转变及PAN纤维在预氧化阶段的环化动力学方面已获得了广泛的应用。     

PAN膜在低温热氧化过程的结构变化研究

采用溶剂挥发法制备得到聚丙烯腈(PAN)膜,通过傅里叶变换红外光谱(FTIR)、元素分析、差示扫描量热(DSC)法研究PAN膜在120~180℃低温热氧化过程的结构和热稳定性的变化。结果表明,PAN膜在低温热氧化过程主要发生环化和氧化反应。在120℃和140℃温度下,氧化反应先于环化反应发生,环化反应程度较小;在160℃和180℃温度下,环化反应显著加剧,环化反应占主导。形成的环化和氧化结构提高了膜的热稳定性。     

聚丙烯腈纤维预氧化生产的在线动态研究

采用DSC、FT-IR、AE、TG-MS、XRD和SEM等分析手段,对连续生产的PAN预氧化纤维的各阶段取样研究。DSC、FT-IR和AE分析表明,在预氧化过程中,主要发生线型分子链的氧化、环化反应,最终形成耐热、不溶不熔的稳定结构;TG-MS分析结果表明,纤维在氧化环化的同时,不断地放出小分子物质,且随着预氧化程度的加深,释放小分子的量逐渐减少,释放温度向高温方向移动;XRD分析显示,晶区的特征衍射峰强度的锐减和非晶区衍射峰强度缓慢增强是纤维内部结构重组的信息,更是表明预氧化反应以晶区为主的重要标志;SEM分析结果表明,预氧化反应不足的纤维,有不同程度的皮芯结构形成,易被有机溶剂腐蚀形成孔洞和溶胀现象。     

光密度法研究预氧化工艺对纤维皮芯结构的影响

通过光密度法研究了预氧化过程中温度和时间对聚丙烯腈(PAN)基预氧化纤维皮芯结构形成和演变的影响,发现在恒定温度下对纤维进行预氧化时,250℃是纤维皮芯结构产生的温度分界点;且皮芯结构的产生具有明显的时间依赖性。同时,也跟踪了预氧化过程中纤维的氧含量变化。当预氧化温度提高后,纤维预氧化过程由反应控制转变为氧扩散控制。为了制备结构均匀的预氧化纤维,在控制纤维氧含量的同时,也应控制皮芯结构的形成。     

磁场对聚丙烯腈原丝及其预氧化的影响

在加热条件下对聚丙烯腈(PAN)原丝施加强磁场,研究了磁场对PAN原丝的影响及经过强磁场预处理后的PAN原丝在预氧化过程中产生的变化;采用红外吸收光谱、X射线衍射、扫描电子显微镜等方法对PAN原丝进行表征。结果表明:经磁场强度为1.9 T,磁化时间为60 min的磁场预处理后,PAN原丝的氰基基团取向度从0.37增大到0.46,微晶尺寸减小12.95%,相同预氧化温度下的相对环化率均大幅提高,纤维密度均有增大,预氧化丝的皮芯结构明显改善。     

炭化过程中预氧化PAN纤维的热分析

本文通过模拟炭化温度对预氧化PAN纤维进行了DTA和TG研究。实验结果表明,根据DTA和TG曲线。可将炭化分为三个温度区,即,Ⅰ区(300～450℃):Ⅱ区(450～900℃);Ⅲ区(900～120℃)。炭化升温速率对DTA和TG有较大影响。利用不同升温速率下的DTA和TG曲线,可以计算出预氧化PAN纤维在炭化三个温区中的表观活化能,其值分别为39.76,53.69和49.70kcal/mol。     

张力拉伸对PAN纤维热稳定化反应进程的影响

在不同拉伸条件下,对聚丙烯腈(PAN)纤维进行热处理。借助傅里叶变换红外光谱、X射线衍射等表征手段,研究了PAN纤维热稳定化过程中,拉伸张力对纤维分子链聚集态结构及化学反应的影响。结果表明:PAN纤维热处理过程中,施加张力会在一定程度上影响纤维的环化反应。当热处理温度较低(180℃)时,施加张力可抑制环化反应的发生;热处理温度较高(大于200℃)时,拉伸张力有利于环化反应的发生。热处理过程中,施加张力,对PAN纤维结晶度影响较小,晶区取向和全取向度增加,晶粒尺寸增大。这是由于拉伸与温度双重作用影响了纤维的聚集态结构,导致参与环化反应的分子数量发生变化。