伽马射线辐照改性聚丙烯腈原丝及聚丙烯腈基碳纤维的研究进展

聚丙烯腈(PAN)基碳纤维由于性能优异、制备工艺简单,被广泛应用于各产业,但其存在表面化学惰性强、力学性能仍有很大提升空间等问题,为此研究人员提出了多种改性方法。其中,γ射线辐照是一种能够实现碳纤维表面活性和力学性能协同提高的改性方法,并且能够应用于PAN基碳纤维制备(PAN原丝)及其后处理全过程。本文概述了γ辐照对PAN原丝和PAN基碳纤维的微观结构、表界面性能和力学性能等方面的影响,重点总结了γ辐照下PAN原丝分子结构的演化机制,原丝辐照对成品碳纤维力学性能的影响,γ辐照下碳纤维不同微区结构演化和力学性能的关系,展望了未来γ射线辐照改性PAN基碳纤维的发展方向与前景。     

预氧化时间对聚丙烯腈基碳纤维预氧丝结构与性能的影响

预氧化是制备碳纤维非常重要的一个环节,制得预氧化丝的性能直接决定最终碳纤维的性能,因此研究预氧化过程对预氧化丝结构性能的影响规律具有重要意义。通过广角X射线衍射点光源取向测试和小角X射线散射实验,计算得到了聚丙烯腈(PAN)基碳纤维原丝与不同处理时间下预氧丝取向度、线结晶度、长周期L、晶区厚度L_c、无定形区厚度L_a等微观结构参数。采用元素分析仪和单纤维强力仪研究了该系列PAN基碳纤维原丝、预氧丝的元素组成和力学性能随预氧化时间的变化,明确了PAN基碳纤维预氧丝内部微观结构参数、元素含量与其力学性能的关系。     

60Coγ射线辐照对碳纤维表面及其复合材料层间剪切强度的影响

对60Coγ射线辐照处理的PAN 基碳纤维的力学性能、表面形貌及表面结构的变化和其与环氧树脂复合后层间剪切强度进行了初步的研究。60Coγ射线在1×102～ 1×103Gy 辐照剂量时, 使PAN 基中强碳纤维本身的力学性能显著提高; 使碳纤维表面的含氧官能团浓度和石墨化程度得以提高; 由此制备的碳纤维环氧复合材料的层间剪切强度SIL SS提高了31% 左右。而在辐照剂量≥1×104Gy 时, 由于辐照损伤及热效应, 使碳纤维的力学性能下降, 增加了表面的炭化及其撕裂程度,从而减小了碳纤维环氧复合材料的层间剪切强度SIL SS。     

高强度、高模量聚丙烯腈基碳纤维的微晶取向研究

用X射线衍射研究了高强度(T系列)与高模量(M系列)聚丙烯腈基碳纤维的微观结构,结果表明两类碳纤维具有不同的结构特征:(1)高模量碳纤维的晶胞尺寸较接近于石墨结构;(2)高模量碳纤维的晶粒尺寸和取向度大于高强度碳纤维;(3)高模量碳纤维的二维层状堆砌比高强度碳纤维排列规整,并存在两种不同晶胞尺寸的六方晶系石墨结构。取向度增大,使晶粒尺寸增大,层状堆砌趋于规整,有利于提高拉伸模量。存在适度的层状紊乱堆砌和不完善微晶以及缺陷,有利于提高拉伸强度。     

碳纤维/乙烯基酯树脂拉挤复合材料界面性能研究

对PAN基碳纤维在线热氧化表面处理,分析了处理前后碳纤维的表面形貌,通过拉挤成型工艺制备出碳纤维/乙烯基酯树脂复合材料。对拉挤复合材料的微观结构观察以及力学性能测试表明:碳纤维经表面处理后表面粗糙度增加,与乙烯基酯树脂的界面粘结性明显改善,复合材料的力学性能尤其是层间剪切强度得到显著提高。对不同界面性能的碳纤维复合材料进行动态热机械分析(DMTA),认为界面性能的改善可降低损耗模量,提高复合材料的耐疲劳性能。     

聚丙烯腈基碳纤维制备过程中微观结构的演变

碳纤维的微观结构是影响其强度和断裂行为的重要因素.PAN纤维、预氧化纤维的微观形态结构与最终碳纤维的结构有着密切的关系.阐述了PAN纤维和预氧化纤维的微观结构的研究进展,着重介绍了聚丙烯腈基碳纤维发展历史上有代表性的结构模型,以期为制备高性能碳纤维提供理论依据.     

短切PAN基碳纤维水泥基复合材料的制备及性能研究

以硅酸盐水泥P.O 42.5为基础材料、短切PAN基碳纤维为增强相制备了分散均匀的碳纤维水泥基复合材料,研究了不同掺杂量(0,0.3%,0.6%和0.9%(质量分数))短切PAN基碳纤维的水泥基复合材料的物相结构、微观形貌、力学性能、耐磨性能和抗碳化性能。结果表明,短切PAN基碳纤维的掺杂加速了水化反应的进行,没有产生新的水化产物,碳纤维在水泥基复合材料中呈三维错落分布,构成网格结构,提高了水化产物之间的结合强度,提高了水泥基复合材料的致密性,从而提高了水泥基复合材料的力学性能、耐磨性能和抗碳化性能。随着短切PAN基碳纤维掺杂量的增加,水泥基复合材料7和28 d的抗压强度和抗折强度均表现出先增大后降低的趋势,而质量损失率和碳化深度则表现出先降低后升高的趋势。当短切PAN基碳纤维的掺杂量为0.6%(质量分数)时,质量损失率达到最小值0.34%,养护7和28 d后,抗压强度达到了最大值69.3和86.4 MPa,抗折强度也达到了最大值11.1和14.1 MPa,而碳化深度达到最低值0.35和2.53 mm。综合分析可知,短切PAN基碳纤维的最佳掺杂量为0.6%(质量分数)。     

PAN基碳纤维微观结构与其性能相关性研究

借助扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和小角x射线衍射(SAXS)等微观结构表征手段,对国内不同厂家生产的3种聚丙烯腈(PAN)基碳纤维内部存在的大孔和微孔等微观结构进行了系统测试、分析。研究结果发现,3种PAN基碳纤维内部都存在着大孔和微孔结构,且这些孔隙结构对碳纤维的机械性能有很大影响,若碳纤维的大尺寸孔洞少,而微孔分布均匀、沿纤维轴取向度高,则碳纤维的综合性能较高。     

聚丙烯腈纤维热应力与碳纤维结构及性能的关联性

针对二元共聚聚丙烯腈（PAN）纤维的热应力和聚集态结构特点,借用差示扫描量热（DSC）分析、广角X射线衍射（WAXD）、红外光谱（FTIR）等表征手段研究了预处理阶段（180 ℃）纤维热应力变化与最终碳纤维结构及性能的关联性。实验结果表明：对于取向度较高,但热应力较大的二元共聚PAN纤维,在180 ℃进行适当的应力松弛处理有利于最终碳纤维力学性能的提高。进一步的分析表明,随着预处理阶段纤维热应力的降低,PAN纤维内部准晶区的取向度逐渐下降,而纤维的环化反应活化能明显降低,相对环化率逐渐增大,相应碳纤维中类石墨晶体的层间距呈现先减小后增大的趋势,类石墨晶体的堆叠厚度则是先增大后减小;与之对应的碳纤维的拉伸强度以及拉伸模量也呈现出先增大后减小的趋势。综合研究结果表明：对二元共聚PAN纤维进行适当的热应力松弛处理可有效改善最终的碳纤维结构参数,提高其力学性能。     

中间相沥青基碳纤维石墨化度对Cf/Al界面损伤的影响

以不同石墨化度的中间相沥青基碳纤维为基底磁控溅射构筑Cf/Al界面,研究了不同石墨化度Cf/Al界面微观结构的演变,并与聚丙烯腈碳纤维比较揭示了Cf/Al界面的损伤机制。结果表明：随着石墨化处理温度的提高中间相沥青基碳纤维的石墨微晶尺寸增大、取向度和石墨化度提高,Cf/Al界面的反应程度降低和碳纤维损伤减少。不同石墨化度Cf/Al界面的损伤决定于初始缺陷的数量和后续裂纹在碳纤维内部的增殖和扩展。在2400℃和2700℃石墨化处理使裂纹更容易在中间相沥青基碳纤维石墨微晶片层间扩展,去除镀层后纤维损伤比聚丙烯腈碳纤维分别高5.19%和3.70%;在3000℃石墨化处理后,化学惰性较大的中间相沥青碳纤维使界面反应产生的缺陷数量大幅度减小,去除镀层后纤维的损伤比聚丙烯腈碳纤维低1.85%。     

聚丙烯腈分子链微观结构对聚丙烯腈基炭纤维性能的影响

聚丙烯腈是炭纤维的重要原材料.高质量的聚丙烯腈才有可能生产出高质量的原丝,而高质量的原丝是保证高质量炭纤维的必要条件.聚丙烯腈的分子量及其分布、等规度、共聚结构单元的比例及分布直接影响着聚丙烯腈的质量,进而影响原丝及其发纤维的性能.从聚丙烯腈分子链的微观结构(分子量及其分布、等规度、共聚结构单元的比例及分布)阐述了对炭...     

Comparison of Structure and Properties among Various PAN Fibers for Carbon Fibers

To find out the high-quality polyacrylonitrile (PAN) fibers, some differences are sought by comparing domestic PAN fibers with the foreign ones. X-ray diffractometer (XRD), transmission electron microscope (TEM), Fourier transform infrared (FT-IR) spectrometer, elemental analyzer, tensile-testing machine and high-temperature differential scanning calorimeter (DSC) are used to characterize the individual microstructure, chemical structure, elemental content, mechanical properties and thermal properties. It is found that high-quality PAN fibers have high density, lower titre, higher or adequate tensile strength, and they also have better conglomeration structure, smaller crystal dimension with dispersive distribution, less microvoids and flaws.     

提高聚丙烯腈基炭纤维质量的方法

聚丙烯腈是炭纤维的重要原材料。高质量的聚丙烯腈才有可能生产出高质量的原丝,而高质量的原丝是保证高质量炭纤维的必在条件。聚丙烯腈的分子量及其分布、等规度、共聚结构单元的比例及分布上的缺陷直接影响着聚丙烯腈的质量,进而影响原丝及其炭纤维的性能。从调整聚丙烯腈分子量及分布、等规度、共聚结构单元的比例及分布入手,论述了提高聚丙...     

聚乙二醇改性聚合纺丝液对湿纺聚丙烯腈初生纤维截面形貌和晶态结构的影响

采用聚乙二醇-600(PEG-600)改性丙烯腈-衣康酸二元共聚的聚丙烯腈(PAN)纺丝液,并通过湿纺制备出初生纤维。通过接触角测试、光学显微镜、扫描电镜(SEM)、X-射线衍射(XRD)研究了PEG-600用量对PAN树脂亲水性、初生纤维横截面形貌、晶态结构的影响。结果表明,PEG-600用量为0.1%时,与未加PEG-600的样品相比,PAN树脂的亲水性降低,初生纤维的横截面仍为非圆形,皮芯结构增强,结晶度降低,晶粒尺寸变大;PEG-600用量为0.3%～0.5%时,与未添加PEG-600的样品相比,PAN树脂的亲水性较未加PEG-600的样品的亲水性增加,初生纤维的横截面为圆形,皮芯结构减弱,结晶度降低但比PEG-600用量为0.1%样品的高,晶粒尺寸与PEG-600用量为0.1%样品的相同。     

聚丙烯腈原丝在强磁场条件下的微观结构分析

聚丙烯腈(PAN)原丝微观结构中存在的缺陷极大会影响炭纤维的强度。采用0T、8T、12T、16T的强磁场对原丝进行处理,研究了磁场对原丝的结晶取向度、总取向度、结晶尺寸、结晶度等微观结构的影响。结果表明,磁场对纤维的晶区和非晶区都有取向作用,其取向度都随磁场强度的增大和磁场作用时间的延长而增加。磁场还能促使非晶区向晶区转变,使结晶尺寸、结晶度和密度均得到提高。     

大丝束PAN纤维热反应特性及其在连续预氧化过程中的结构性能演变

利用热应力、DSC、FTIR、元素分析(EA)、XRD及力学性能、密度等测试表征手段,结合小丝束(24K)聚丙烯腈(PAN)原丝,解析了大丝束(48K) PAN原丝的热反应特性,并采用50 min连续预氧化制备高性能大丝束碳纤维,研究了大丝束PAN原丝连续预氧化过程中的结构性能演变规律。结果表明,大丝束PAN纤维的化学热应力是小丝束的1.13～1.43倍,且启动温度更低,当温度为250℃时,化学热应力差值最大,对应大丝束纤维密度为1.316 g/cm³;纤维内准晶区在反应初期即大量转化为无定形状态,准晶区晶粒尺寸呈现先增大后减小的趋势;50 min连续预氧化制备的大丝束碳纤维单丝拉伸强度和拉伸模量分别为4 240 MPa和244 GPa,相关力学性能达到市售国外大丝束碳纤维同等水平。     

热处理升温速率对中空多孔炭纤维介电常数的影响

以中空多孔聚丙烯腈(PAN)原丝为原料, 通过预氧化和炭化工艺制备了中空多孔炭纤维, 研究了预氧化和炭化升温速率对其微观结构、元素组成、电导率和介电常数的影响. 研究结果表明, 热处理升温速率对中空多孔炭纤维微观结构影响很大. 随热处理升温速率增大, 所得中空多孔炭纤维体电导率和介电常数依次降低. 预氧化升温速率为0.5℃/min所得炭纤维体电导率为1997.14 S/m, 4℃/min时下降到153.39 S/m, 中空多孔炭纤维/石蜡复合材料介电常数的ε″ 则从70.35降低到6.99. 热处理升温速率引起中空多孔炭纤维碳含量和孔隙的变化, 可用来调节中空多孔炭纤维的电导率和介电常数.     

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.     

静电纺丝法制备PAN/Fe3O4磁性纳米纤维

采用化学共沉淀法制备纳米四氧化三铁,选用曲拉通X-100为分散剂,利用静电纺丝法制备PAN/Fe3O4磁性纳米复合材料。X射线衍射仪(XRD)验证了四氧化三铁在复合纳米纤维中的存在。同时使用扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)对复合纳米纤维的微观形貌和Fe3O4在纤维中的分布进行了观察,利用热重(TGA)对纳米复合材料的热稳定性进行分析;通过磁性实验分析了纳米复合材料的磁性性能。结果表明,所制备PAN/Fe3O4磁性纳米纤维成型良好,且Fe3O4磁性颗粒在纤维中分散均匀,其与PAN是物理复合。纳米复合材料具有一定磁性,并可由磁性颗粒的加入量进行控制。     

干燥法制备聚丙烯腈初生纤维样品的研究

采用湿法纺丝得到聚丙烯腈(PAN)初生纤维,干燥后得到PAN初生纤维样品.利用电阻法确定初生纤维的共晶温度;获得初生纤维的冻干曲线;通过压汞法对初生纤维孔结构进行表征,并对比考察了鼓风干燥、自然风干和冷冻干燥对样品截面形貌的影响.结果表明:初生纤维的共晶温度为-55℃;鼓风干燥会使样品收缩,纤维间发生粘连,原有形貌被破坏;自然风干使样品的截面积和周长分别收缩了20.66%、10.67%,形状系数变化率为3.52%.而冷冻干燥时样品的截面积和周长仅收缩了1.21%、1.15%,形状系数变化率为1.13%.冷冻干燥有效地保留了PAN初生纤维的固有原始结构,可用于制备各种分析的样品.