国产聚丙烯腈原丝结构和性能分析

测定了3种国产聚丙烯腈(PAN)原丝的力学性能,并用红外光谱分析(FT-IR)、广角X射线衍射(WAXD)、扫描电镜(SEM)等手段,对PAN原丝的化学结构以及微观结构等进行了研究,并在此基础上分析和讨论了原丝结构和性能之间的相互关系.     

丙烯酸对聚丙烯腈原丝结构和热性能的影响

控制单体配比,采用丙烯腈（ＡＮ）与丙烯酸（ＡＡ）自由基熔液共聚,以偶氮二异丁腈为引发剂在溶剂二甲基亚砜中合成了聚丙烯腈原丝纺丝溶液,并纺制了碳纤维前驱体聚丙烯腈原丝。通过ＩＲ、ＤＳＣ、ＤＴＧ等手段,讨论了共聚单体ＡＡ对共聚物反应及聚丙烯腈原丝结构和热性能的影响。共聚单体ＡＡ能在较低温度时引发聚丙烯腈原丝的氧化、环化放热反应,且能减缓放热效应。Ｐ（ＡＮ－ｃｏ－ＡＡ）共聚物中共聚单体ＡＡ的摩尔分数控制     

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.     

PAN基碳纤维原丝致密性及其孔结构研究

利用碘吸附法、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）和小角x射线衍射（SAXS）等测试方法对国内外企业生产的几种聚丙烯腈（PAN）基碳纤维原丝的致密性及孔结构进行了较系统的测试与研究。结果表明,各种PAN原丝内部都存在着疏松的孔结构,致使其致密性较差,且孔结构的尺寸分布不均。PAN基碳纤维原丝的结构缺陷对其性能有着重要的影响作用。     

聚丙烯腈基原丝的沸水收缩率对炭纤维性能的影响

本文详细研究了国产1K聚丙烯腈原丝和英国考特尔1K、3K聚丙烯腈原丝的沸水收缩率及由它们制得的炭纤维的性能,总结出原丝的沸水收缩率对炭纤维性能的影响规律.     

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。     

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。     

干燥致密化对通用碳纤维用PAN原丝力学性能升级的考察

为提升国产通用碳纤维用PAN原丝的力学性能,再次对原丝进行水洗及干燥致密化工艺处理。实验结果表明,水洗因使丝束增韧,与致密化起到相反的作用,不利于原丝力学性能的升级;不同温度下,随致密化时间的增加,丝束强度先增大后减小,55s时丝束强度提高最大;确定致密化时间55s时,在140～150℃温梯下丝束强度最大,约提升初始原丝的35.6%。     

衣康酸氨化对聚丙烯腈基碳纤维聚合和原丝性能的影响分析

为制备力学性能优异的聚丙烯腈基碳纤维,采用氨化度不同的衣康酸(IA)单体与丙烯腈(AN)、丙烯酸甲酯(MA)和乙烯磺酸(AS)制备聚丙烯腈(PAN)基碳纤维。通过聚合转化率的测定表征聚合反应速度,显微镜观察原丝断面形貌,广角X射线衍射表征原丝结晶取向度,动态热机械法表征原丝的玻璃化转变温度和热收缩率,电子万能试验机表征原丝及碳纤维的力学性能。测试结果表明,IA经氨化后制备得到β-衣康酸铵,以β-衣康酸铵作为共聚单体制备的PAN纺丝液的数均相对分子质量达到64100,相对分子质量分布指数为2.96,比粘为1.86;纺丝后原丝断面明亮整齐,氨化度为25%的原丝在12倍牵伸下,单丝拉伸强度为6.8cN/dtex,弹性模量为113.0cN/dtex;该原丝的玻璃化转变温度较未氨化原丝提高了3.19℃;该原丝经炭化后的碳纤维(1K)的拉伸强度达到4572 MPa,弹性模量249GPa,钩结强力62.4N,纤维的力学性能和韧性得到提高。     

原丝浸渍硼酸对炭纤维结构与性能的影响

聚丙烯腈原丝(3K,1.1dtex)用硼酸进行浸渍,再分别进行间歇式预氧化和炭化。借助元素分析、X射线衍射、红外分析和扫描电镜等表征手段和力学性能测试,研究了硼酸浸渍对原丝结构、预氧化炭化过程及炭纤维结构与性能的影响。结果表明,硼能进入到原丝的内部,但只是物理吸附,在浸渍过程中不改变原丝结构,在预氧化过程,硼钝化了纤维的环化、氧化反应,起始温度推迟2.5℃。在炭化过程中,硼促进了纤维结构的有序化和完善,炭纤维的强度和模量都得到了提高。硼质量分数为1.376×10-4,张力为108 g时,炭纤维抗拉强度为2544 MPa,较同等条件未渗硼的提高约90%。     

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。     

高强高模碳纤维用高等规聚丙烯腈在预氧化过程中成环性能的研究

高等规聚丙烯腈可作高强高模碳纤维的原丝,但对其预氧化过程的研究很少.为了对比,采用两种样品:高等规聚丙烯腈(iso-PAN)和无规聚丙烯腈(at-PAN),并用XRD图考察了两种PAN从线形结构过渡到环型结构的变化.为了定量地考察它们的差别,运用了JRG群子统计理论,发现随温度升高,高等规PAN比无规PAN成环越容易,环化程度高,通过计算得知PAN高等规PAN的活化能低于无规PAN,这为制造高强高模碳纤维提供了新的前提材料.     

预氧化对聚丙烯腈膜结构及性能的影响研究

以聚丙烯腈(PAN)为前驱体,N-甲基吡咯烷酮为溶剂,水为凝胶介质,采用干-湿相转化法制备不对称PAN基聚合物膜,通过FT-IR、XRD、SEM等手段进行结构表征及恒压力变体积法测试气体渗透性能,主要探讨了PAN膜在空气预氧化处理过程中的化学和微结构变化规律及预氧化工艺条件(预氧化温度、恒温时间及空气流率)对PAN膜的结构和气体渗透分离性能的影响.研究表明,在空气预氧化过程中,PAN膜的化学结构经氧化交联由线性结构转变为体型结构,PAN由热塑性变为热固性材料.预氧化工艺对PAN膜性能有很大的影响.提高预氧化温度、延长恒温时间以及增大空气流率均有利于膜性能的提高,但当预氧化条件超过一定程度后,膜性能反而降低.SEM分析表明,预氧化处理后的膜仍具有聚合物膜的基本孔形貌.     

冷冻干燥工艺程序自动化研究

对冷冻干燥过程中的传热传质进行分析,依据冻干塌陷原理,编制具有自适应性的逻辑公式,设置物料塌陷温度、真空仓压力和过热度等输入参数.在BSNFD05冻干机上进行测试,结果表明,在冷冻干燥过程中,按照PLC中的自适应逻辑,以高精量传感器采集的加热板温度、真空仓压力和冷阱（捕水器）过热度为控制量,通过三通调节阀、真空挡板阀和供液电子膨胀阀等执行机构,实现在冷冻干燥过程中按照逻辑判断、不断修正自动形成工艺程序,最终完成冷冻干燥.     

Effect of POSS content on the electrical,thermal, mechanical,and wetting properties of electrospun polyacrylonitrile (PAN)/POSS nanofibrous mats

Although polyacrylonitrile (PAN) has excellent properties as a precursor of carbon fibre, octa-amic polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS) nanoparticles which are hybrid organic–inorganic materials can be incorporated into PAN to tune up the properties such as the mechanical strength, thermal conductivity, and electronic conductivity for a broad range of potential applications. In this work, PAN with POSS of 1, 3, and 5 wt % based on acrylonitrile weight was prepared by solution polymerisation. The synthesised product was dissolved in dimethyl sulphoxide, followed by electrospinning. After electrospinning, the nanofibrous mats were stabilised at 250 °C for 1 h. The diameter of resulting PAN/POSS nanofibrous mats were less than 1 μm, as confirmed by SEM analysis. The effect of POSS on PAN/POSS nanofibrous mats was studied by SEM, universal testing machine, contact angle measurement, Fourier transform infrared spectroscopy, wide angle X-ray diffraction, differential scanning calorimetry, and thermogravimetric analysis. The usefulness of the PAN/POSS nanofibre composites was realised from the improved electrical, thermal, mechanical, and wetting properties compared to pure PAN.     

致密化工艺对PAN纤维结构和性能的影响研究

在聚丙烯腈基碳纤维原丝纺丝过程中,在干燥致密化之前使用不同的油剂上油,干燥致密化不同的时间,制得PAN纤维。利用SEM、XRD、纤维细度仪、纤维强伸度仪等分别对PAN纤维的表面形貌、晶体结构、纤度、强度、断裂伸长率和体密度进行研究。结果表明油剂可以有效防止纤维变形、粘连、并丝和表面缺陷的产生;随着致密化时间的增加,PAN纤维晶面间距、晶粒尺寸和断裂伸长率变小,结晶度、强度和体密度变大,纤度不变;使用不同的油剂和浓度,最后得到的PAN纤维的性能不同。     

基于AEM法的爆破拆除倒塌过程的数值模拟

利用应用单元法(AEM法),以含填充墙的某多层框架结构定向爆破拆除为例,进行倒塌过程的数值模拟。结果表明:在框架结构爆破切口形成后,结构由于重力作用逐渐沿横向偏转,并在横向最外侧的一排柱上形成活动铰,产生翻转倒塌,模拟结果与实际倒塌结果基本相符。在倒塌的过程中,结构爆破切口的横向很快进入大变形倒塌,同时引起横向隔墙的平面失去稳定而倒塌。落地的倒塌碎块,在纵向产生150kN左右的峰值冲击力,在横向产生30~50kN的峰值冲击力。基于仿真结果,可以定量设置防护措施,避免安全隐患。     

基于AEM法的爆破拆除倒塌过程的数值模拟

利用应用单元法(AEM法),以含填充墙的某多层框架结构定向爆破拆除为例,进行倒塌过程的数值模拟。结果表明:在框架结构爆破切口形成后,结构由于重力作用逐渐沿横向偏转,并在横向最外侧的一排柱上形成活动铰,产生翻转倒塌,模拟结果与实际倒塌结果基本相符。在倒塌的过程中,结构爆破切口的横向很快进入大变形倒塌,同时引起横向隔墙的平面失去稳定而倒塌。落地的倒塌碎块,在纵向产生150kN左右的峰值冲击力,在横向产生30⁵0kN的峰值冲击力。基于仿真结果,可以定量设置防护措施,避免安全隐患。     

热氧稳定化过程中聚丙烯腈纤维序态结构的变化

研究了聚丙烯腈(PAN)共聚纤维在连续热氧稳定化过程中序态结构的变化,结果表明:X射线衍射极图所提供的0°-360°全角扫描信息,可表征纤维内部晶面法向分子链的分布密度,描述分子链取向结构的变化程度;可较全面.动态和直观地解析聚丙烯腈大分子链在热氧稳定化过程中经历的由初期取向结构改善到中、后期大分子链解取向的全过程.在较低的热氧稳定化温度下,PAN大分子链无序区先发生化学反应,有序度变化不大;当热处理提供的能量超过有序区环化和改变分子构象所需要的能量时,有序区发生剧烈的热化学反应,有序度急剧下降.     

超声蚀刻对PAN纤维组织结构与性能的影响

用傅里叶红外光谱(FTIR)、广角X射线衍射(WAXD)、扫描电镜(SEM)等方法测定并分析超声蚀刻对聚丙烯腈(PAN)纤维的化学结构、结晶、形态结构和机械性能的影响,为利用超声蚀刻方法制备电镜样品、研究PAN纤维结构奠定实验基础。实验结果表明:超声蚀刻处理对PAN纤维化学结构没有影响;溶解的PAN分子量随着超声时间延长而降低,未溶解的PAN分子量基本没有变化;这种处理会使纤维的结晶度和晶粒尺寸均小幅下降;经过超声蚀刻后纤维表面出现大量的原纤结构,能够实现原纤分离;这种处理对纤维的线密度影响不大,而纤维强度、断裂伸长率和初始模量均有所下降。