紡絲過程中聚丙烯腈纖維結(jié)構(gòu)及其演變的研究.pdf

1、高質(zhì)量聚丙烯腈(PAN)原絲是制備高性能碳纖維的前提。深入研究紡絲過程中PAN纖維組織結(jié)構(gòu)的形成及演變，明確紡絲工藝與纖維結(jié)構(gòu)和性能之間的相關性，對改善紡絲工藝、制備高質(zhì)量原絲意義重大。本文針對實驗室PAN基碳纖維原絲生產(chǎn)線自制PAN纖維開展相關實驗，通過場發(fā)射掃描電鏡(SEM)、X射線衍射(XRD)、纖度測試及纖維強伸測試等測試分析技術(shù)，對纖維中原纖及微原纖結(jié)構(gòu)、晶態(tài)結(jié)構(gòu)、致密性及力學性能進行了研究，分析了濕紡、準干噴濕紡以及干噴濕紡

2、工藝過程中PAN纖維結(jié)構(gòu)及性能的演變，并對比分析了三種紡絲工藝所得PAN纖維結(jié)構(gòu)及性能的差異。
　　通過觀察三種紡絲工藝各階段PAN纖維表面形貌結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn):濕紡纖維表面存在明顯的溝槽，隨著紡絲工藝的進行，溝槽均勻性、平行度及取向度得到改善，這反映出纖維內(nèi)部原纖結(jié)構(gòu)逐漸成長完善;準干噴濕紡纖維表面也存在溝槽結(jié)構(gòu)，但相對濕紡纖維較淺;干噴濕紡纖維表面光滑無溝槽。
　　利用超聲刻蝕方法對干燥去溶劑處理后的PAN纖維進行原纖分離實驗，

3、結(jié)合前期研究者經(jīng)驗，通過實驗分別確定三種紡絲工藝系列PAN纖維超聲刻蝕最佳條件，并在掃描電鏡下觀察刻蝕后纖維的微觀結(jié)構(gòu)。結(jié)果顯示，三種紡絲工藝制備所得PAN纖維都存在皮芯結(jié)構(gòu)，其中干噴濕紡纖維相對不明顯，而濕紡纖維和準干噴濕紡纖維皮層厚度均在200～300nm左右。纖維凝固成形時，內(nèi)部首先形成凝膠網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，在牽伸力的作用下，PAN大分子發(fā)生相對滑移、分子鏈舒展開并取向排列，微原纖及原纖結(jié)構(gòu)逐漸形成并完善。濕紡纖維及準干噴濕紡纖維原纖及微

4、原纖之間結(jié)合不夠緊密，通過超聲刻蝕原纖及微原纖結(jié)構(gòu)容易分離出來;而干噴濕紡纖維中，原纖及微原纖之間存在大量物理纏結(jié)點和化學交聯(lián)點，且微原纖貫穿于不同原纖之間，將原纖連結(jié)成網(wǎng)絡骨架結(jié)構(gòu)，提高超聲刻蝕條件也難以分離出獨立的原纖結(jié)構(gòu)。三組系列纖維中，微原纖都是由片晶結(jié)構(gòu)構(gòu)成的，由超聲刻蝕后纖維的掃描圖可以清楚地看到濕紡纖維及準干噴濕紡纖維微原纖的片層結(jié)構(gòu)形貌;但干噴濕紡纖維由于其原纖及微原纖之間結(jié)合緊密，難以通過超聲刻蝕將其片層結(jié)構(gòu)清晰地顯現(xiàn)

5、出來。
　　紡絲過程中PAN纖維結(jié)晶度和抗拉強度整體呈上升趨勢，而纖度和斷裂伸長率呈下降趨勢。但在熱定型工藝階段，由于在較高溫度下PAN纖維內(nèi)應力消除、大分子鏈發(fā)生輕微的快速解取向，而且PAN自身結(jié)晶能力有限，上述四種參數(shù)變化規(guī)律略有不同。該階段纖維結(jié)晶度和抗拉強度增幅減小，濕紡和干噴濕紡系列纖維的結(jié)晶度甚至還出現(xiàn)了一定程度的減小，而纖維的斷裂伸長率和纖度基本不再發(fā)生變化。
　　對比三組系列纖維，干噴濕紡工藝制備所得PAN纖