低温碳化过程PAN氧化纤维骨架结构转变

为实现PAN纤维在低温碳化过程的结构调控,利用核磁共振碳谱(13C-NMR)研究了PAN预氧化纤维在500-800℃的低温碳化过程中骨架结构的演变.结果表明:在低温碳化过程中,随着碳化温度的升高,预氧化纤维骨架结构中饱和的CH、CH2和C=0结构逐渐消失,共轭-HC=C<和>C=N-逐渐减小,共轭>C=C<逐渐增加,纤...     

PAN预氧化纤维的炭化过程

采用Raman光谱、XRD、AE、XPS和TG-MS方法分析PAN预氧化纤维在连续炭化过程中纤维结构参数和C、N、O含量的变化,以及反应中小分子的释放情况.Raman光谱分析表明:在炭化过程中纤维内sp2杂化的C-C原子键距逐渐变大,晶体尺寸增大,石墨化度也随之提高,乱层石墨结构趋于完善;XRD分析结果表明:炭化过程巾纤维的择优取向性提高,微孔含量减小是炭纤维体密度增大和强度逐步提高的原因所在;从预氧化纤维、低温炭化和高温炭化纤维的表面和本体元素分析的结果发现:炭化过程中碳元素的富集和非碳元素的脱除是由外向内的过程;TG-MS分析表明:小分子的释放主要发生在低温炭化的过程中,而高温炭化过程主要是大的梯形分子链交联脱除N2的反应.     

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。     

碳纤维制造过程中径向差异表征及演变机理

为优化PAN基碳纤维结构,采用AES表征PAN纤维在低温碳化与高温碳化后C,N,O沿纤维径向的分布,并用以阐明预氧化碳化过程径向差异的形成机理.结果表明:预氧丝径向结构不均匀,由外向内氧化程度降低;预氧时物理阻隔与化学阻隔导致径向形成氧浓度梯度,热物理传递与化学反应放热导致径向形成温度梯度.低温碳化时,热物理传递与化学反应放热形成温度梯度加剧了预氧时的径向差异;纤维分3部分,最外层氧含量低,由氧化程度高的预氧皮层外部强烈脱氮脱氧形成,最内层由氧化程度低的预氧芯层转化而成;中间是过渡层,一部分由氧化程度较高的预氧皮层内部少量脱氧脱氮而成,氧含量高,而后过渡到预氧程度低的低含氧量芯部.高碳丝径向组分差异变小,纤维分两部分,外层厚度仅为纤维直径的10%,是碳含量逐渐降低的过渡性皮层,其余部分为组成均一的芯层.     

PAN基碳化纤维制备过程中纤维的晶态结构研究

采用X射线二维衍射图像和面扫描法对PAN碳化纤维制备过程中各阶段纤维进行了结构表征,揭示了干喷湿纺原丝在预氧化和碳化阶段各纤维晶区取向和晶态结构的差异。结果表明,利用赤道方向二维衍射图,可直观地观察到各纤维在不同阶段取向度以及结晶度的演变规律。与原丝相比,205℃预氧化纤维的取向度、晶粒尺寸以及结晶度都增大,晶面间距无明显变化。235℃预氧化纤维的取向度、晶粒尺寸以及结晶度都减小,晶面间距增大。与原丝以及预氧化纤维相比,碳化阶段纤维的取向度、晶粒尺寸、结晶度以及晶面间距都明显减小。     

碳纳米纤维膜的制备及表面浸润性研究

采用静电纺丝法制备聚丙烯腈纳米纤维膜,经不同温度预氧化和碳化后得到碳纳米纤维膜(CNFM),通过FTIR、TG、XRD、SEM、RAMAM等表征手段探究了预氧化和碳化过程中纤维膜结构的变化,并考察了不同阶段纤维膜的表面浸润性.研究表明:PAN纤维膜预氧化温度选定在270～290℃范围较为合适;随碳化温度的升高,碳纳米纤维(CNFs)的类石墨层状结构有序化提高,石墨层间距减小;碳化膜的最大接触角可达158.3°±1.0°,表面呈现超疏水性.     

PAN基碳纤维制备过程中微孔结构的形成与转变

利用扫描电镜(SEM)、小角X射线散射(SAXS)对PAN基碳纤维制备过程中不同阶段纤维的表面形貌、微孔结构进行了测试,计算了PAN基碳纤维制备过程中不同阶段微孔的大小、各微孔占总微孔的体积分数、微孔的平均尺寸及表面的分形维数,分析了碳纤维的微孔结构在制备过程中的形成与转变。结果表明,原丝内部微孔的平均尺寸较大,预氧化过程中、后期,纤维内部微孔的平均尺寸及各相微孔的体积分数都发生了较大变化。低温碳化后,纤维中微孔的平均尺寸减小,且大孔洞的体积分数增大。高温碳化后,微孔的平均尺寸进一步减小,大孔的体积分数增大。原丝的微孔表面比较粗糙,在预氧化过程中微孔表面的分形维数减小。低温碳化后,微孔表面的分形维数增加。高温碳化后,微孔的形状由曲面转变为曲线。     

聚丙烯腈纤维炭化过程中纤维表面的XPS研究

采用X射线光电子能谱（XPS）技术测定了聚丙烯腈（PAN）原丝及其在预氧化和不同炭化阶段的纤维的表面元素含量及其结合态，并对不同阶段中各元素的结合态的变化进行了分析，发现，原丝上由于表面处理存在大量Si元素，预氧化过程主要清除了原丝表面上易挥发的低分子化合物，O，N，Si的结合态未发生明显变化，在炭化过程中，C，O，N，Si则以多种结合态形式存在，在炭纤维表面上含有相当数量的含氧官能团。     

PAN纤维碳化裂解的TG-FTIR联用分析

利用TG-FTIR联用分析仪,结合气相裂解质谱,采用国产PAN原丝经预氧化后在200~1350℃范围进行了裂解产物分析。结果表明:PAN预氧化纤维热裂解起始温度在300℃左右,在366.2、624.2和868.0℃出现3个失重速率峰。从纤维中脱除的主要物质如CH_4、NH_3、CO_2、C2H_2等小分子气体产物,同时也包含少量具有较高沸点结构复杂的芳香类物质。裂解产物种类和含量与碳化裂解温度密切相关,其中产生NH_3和C2H_2的裂解温度为380℃,CH_4在480℃出现峰值,CO_2在整个碳化过程均有产生,并且在320、840和1260℃出现峰值。PAN预氧化纤维热裂解的质谱分析很好地验证了TG-FTIR分析结果。     

热处理时间对PAN碳纤维性能影响的研究

聚丙烯腈(PAN)碳纤维由有机纤维经过高温处理得到,其结构和性能与热处理时间密切相关。采用固体核磁共振碳谱仪、热失重分析仪、X射线衍射仪和力学性能分析等研究了热处理时间对预氧纤维结构、碳纤维结构和性能的影响。结果表明:预氧化时间的延长使环化、脱氢和氧化反应形成的—C═N、C═C、C═CH、C═O含量增加,使预氧纤维的稳定性增强,形成的碳纤维微晶尺寸较小、层间距较大,碳纤维拉伸强度和拉伸模量较大,但体密度较低;随着碳化时间的延长,纤维的热稳定性呈现先下降后增强的趋势,碳纤维的微晶尺寸增大,层间距减小,碳纤维的体密度、拉伸强度和拉伸模量增加。