沥青基带状纤维的预氧化研究

采用熔融纺丝工艺制备中间相沥青基带状纤维,分别于不同温度和不同时间进行氧化稳定化处理,采用红外光谱仪和元素分析测定预氧化纤维官能团和氧含量的变化,并采用扫描电镜和纤维强伸度仪等检测设备研究2 500℃石墨化纤维的结构和性能.实验结果表明：沥青分子在预氧化过程中与氧发生反应,生成了热固性的沥青大分子.氧化温度越高,氧化时间越长,带状纤维的氧含量越高.厚度为～35μm,宽度为～380μm的带状沥青纤维于氧气气氛经220℃下预氧化20h和2 500℃石墨化处理后,其拉伸强度可达1.75GPa,比240℃和260℃预氧化制得的石墨纤维的拉伸强度高.     

碳纤维快速氧化方法的研究

对经过不同预氧化时间处理的PAN纤维,控制相当的氧化程度(预氧化纤维密度),经过碳化处理得到碳纤维样品力学性能的分析。得出适当增加预氧化时间,碳纤维力学性能指标会得到相应的提高,缩短预氧化时间碳纤维的力学性能指标会相应的降低。但考虑生产效率和成本,在碳纤维力学性能指标满足基本需要的前提下,可以缩短预氧化时间即快速氧化。     

中间相沥青纤维预氧化过程中交联机理的研究

中间相沥青纤维的预氧化主要依赖沥青分子之间的氧化交联,包括含氧官能团的生成和脱除,因而研究纤维预氧化过程中的交联机理对制备高性能中间相沥青基碳纤维尤为重要。采用元素分析、核磁共振以及傅里叶变换光谱对中间相沥青预氧化过程中的官能团结构以及转变进行分析。结果表明,预氧化过程中首先生成一些热稳性较低的羟基、脂肪醚基等含氧官能团,随着氧化反应的进行,这些官能团逐步转变为热稳定较高的羧基、羰基以及芳醚,交联度增强,纤维内形成以氧为连接点的交联网络。同时应力测试表明,随着预氧化反应的进行,分子内部发生化学反应形成交联结构,应力增大,与上述预氧化过程中官能团转变结论相一致。     

纤维线密度与预氧化当量时间的相关性

对经过不同预氧化当量时间处理的预氧化纤维样品的w(氧)和碳纤维样品的线密度进行了分析,找出了预氧化当量时间、w(氧)同碳纤维线密度的相关性,并借助同样条件下的预氧化纤维密度对得到的相关规律进行佐证,同时对其影响机理进行了研究。研究结果表明,在一定范围内预氧化当量时间越长,预氧化纤维的w(氧)越高,对应的碳纤维线密度越高,并在一定范围内呈现线性关系。但当预氧化当量时间过长,碳纤维的线密度呈下降趋势。     

氧化加热介质对碳纤维性能影响

对经过不同加热介质即空气、φ(氧)=20%、φ(氧)=15%气氛预氧化处理的聚丙烯腈PAN纤维,通过对预氧化纤维密度、氧含量对比分析,在240℃后随着温度的增加以空气、φ(氧)=20%气氛处理的预氧化纤维密度增长较快,而φ(氧)=15%气氛处理的预氧化纤维密度相对增长缓慢,有利于纤维的结构控制。经过碳化处理得到碳纤维样品力学性能的分析。经低φ(氧)加热介质预氧化处理的预氧化纤维氧化反应缓和产生的缺陷较小,氧化纤维均质化程度更高。因此制备的碳纤维拉伸强度更高。     

煤加氢热解沥青制备通用级沥青碳纤维的研究

以煤加氢热解沥青为原料,采用空气氧化和氮气吹扫处理,制备了可纺沥青,收率超过70％。可纺沥青经过纺丝、预氧化和炭化,制得通用级沥青碳纤维。实验结果表明,沥青碳纤维直径12．2um、抗拉强度623MPa、模量30．5GPa、伸长率2．05％。     

中间相沥青纤维的氧化

中间相沥青熔融纺丝可制得沿轴定向较好的沥青纤维。这些纤维虽然由芳烃大分子层片组成,有较高的软化点,但仍具有热塑性,因此在碳化以前必须进行不熔化处理,使之热固化,以防止碳化时纤维的熔融和融并,保持它们轴向择优定向的结构。故不熔化处理在碳纤维的制造过程中是一个关键的步骤。 本文通过在空气中加热中间相沥青纤维,研究了氧化工艺参数,氧化增重和最终碳纤维性能之间的关系,并试图从热力学和动力学的角度探讨中间相沥青纤维的氧化过程。     

大直径中间相沥青基炭纤维的制备研究

以萘系中间相沥青为原料,通过熔融纺丝和随后的预氧化、炭化以及石墨化处理制备了中间相沥青基圆形炭纤维.研究了热处理温度对纤维导电性能和力学性能的影响,并采用红外光谱仪、元素分析仪、扫描电子显微镜和X射线衍射仪对纤维的组成、形貌和微观结构进行了表征.研究结果表明：纤维在预氧化时形成的羟基、酰基等含氧官能团在随后的炭化、石墨化处理过程中消失;随热处理温度的升高,石墨微晶逐渐发育、长大,并沿纤维轴向高度取向,纤维的电阻率不断降低,力学性能不断增强;3 000℃石墨化纤维电阻率为1.3μΩ·m,对应的强度和模量值为1.6GPa和380 GPa.     

一种表征聚丙烯腈纤维预氧化程度的新方法

在工业化连续碳纤维生产线上,对干喷湿纺和湿纺的聚丙烯腈(PAN)原丝进行对比实验,跟踪了这两类原丝在预氧化和碳化过程中力学性能的变化规律。采用密度仪、纤维单丝断裂强力仪等测试分析了不同预氧化条件下预氧化纤维的力学性能与相应碳纤维力学性能之间的内在联系。结果表明,碳纤维的力学性能与预氧化纤维的断裂强力密切相关。通过与不同的预氧化程度表征方法相比较,提出了以预氧化纤维的强力损失率作为表征PAN纤维预氧化程度的新方法。     

碳纤维表面处理技术探讨

介绍了碳纤维的特点及碳纤维表面处理常用方法,采用液相氧化加上阳极氧化的复合表面处理法对碳纤维进行表面氧化处理,然后将表面处理后的碳纤维加捻、并合、再加捻,浸渍于热塑性聚氨脂树脂中,经干燥,制成附着量约为5%的碳纤维复合线;同时用未经表面处理的碳纤维,在同样条件下制成碳纤维复合线进行对比。结果表明:采用缓和的电化学氧化处理和加热处理,能使纤维表面的缺陷得到修复,碳纤维制造过程所形成的物理缺陷得到缓和,使碳纤维的机械强度可在复合材料中起到更大的作用。     

张力对PAN预氧化纤维结构和性能的影响

在预氧化过程中通过施加不同张力制备了四组PAN预氧化纤维,并利用单纤维强力测试仪、元素分析仪、X射线衍射仪、扫描电子显微镜等对PAN基碳纤维原丝及预氧化纤维的力学性能、微观结构和表面形貌进行了研究。结果表明,热处理过程中负载张力的增加会引起预氧化纤维表面形貌发生明显变化,预氧化纤维表面整体更加光滑,其(002)晶面的晶粒尺寸变大,微晶择优取向程度增加,预氧化纤维中C元素含量逐渐降低,O元素含量逐渐增加,预氧化纤维的拉伸强度、拉伸模量、断裂伸长率都呈现逐渐降低的趋势。     

熔融纺丝温度对大直径中间相沥青碳纤维结构性能的影响

本工作采用实验室用氮压式单孔纺丝机，对中间相沥青在不同温度下进行纺丝、经预氧化、碳化后测试其力学性能和结构，分析了熔纺温度对大直径中间相沥青纤维和碳纤维的结构和性能的影响。     

两种PAN原丝油剂在碳纤维生产过程中的作用机理探讨

通过比较两种PAN原丝油剂的理化特性,对原丝性能、预氧纤维皮芯结构、碳纤维灰分等进行了分析,探讨了两种油剂在碳纤维生产过程中的作用机理。结果表明,包覆型碳纤维原丝油剂在原丝表面形成一层包覆层并较少的渗透到纤维内部,控制了预氧化阶段氧和能量向纤维内部的径向扩散速率,包覆层在预氧化与低温碳化阶段更容易脱落和排出,减少了纤维缺陷的产生,更好的保护了纤维的皮部结构且使碳纤维的灰分质量分数更低。     

超高强度PAN基碳纤维的研制技术

本文从聚丙烯腈原丝的制备,PAN纤维的预氧化,碳化工艺以及碳纤维的表面处理三个方面综述了近年来国外超高强度PAN基碳纤维的研制方法,指出,碳纤维抗张强度的大幅度提高主要来源于高质量的PAN原丝,同时,PAN纤维的预氧化和碳化工艺的改进以及碳纤维表面处理也能较为有效地提高碳纤维的抗张强度。     

羟胺改性对聚丙烯腈预氧化纤维低温碳化的影响

分别将未经过与经过盐酸羟胺处理的预氧化纤维在氮气(99.999%)气氛下,以5℃/min的升温速率加热至800℃进行低温碳化。通过定量傅里叶变换红外光谱、差示扫描量热分析、热失重分析等手段研究了羟胺改性对预氧化纤维在低温碳化过程中的影响。结果表明:羟胺改性可以使原来环化不完全的预氧化纤维在较低温度下进一步环化,从而提高了其热稳定性和碳化收率,所得碳纤维的性能也得到了较大幅度的提高。     

煤沥青纤维的不熔化处理

采用空气预氧化方法进行煤沥青纤维的不熔化处理,用红外光谱定性描述了预氧化过程,并运用动力学进行了定量计算,求出了增重为3％时,不同直径的纤维在不同温度下所需的预氧化时间。     

聚丙烯腈纤维纺丝油剂对碳纤维性能的影响

研究了3种聚丙烯腈纤维油剂对原丝纺丝、预氧化和碳化过程的影响。结果表明:纺丝上油率与上油浓度成正比,二油工序纤维上油率受油剂浓度影响大;油剂对预氧化反应有阻碍作用,上油率越大,阻碍作用越大,但其可使预氧化过程易于控制;使用油剂可提高碳纤维的力学性能,与未上油原丝制得的碳纤维相比,上油率为1.0%时,3种油剂使碳纤维拉伸强度分别提高了8.81%、9.85%和11.74%。     

聚丙烯腈纤维预氧化过程——Ⅰ.皮芯二重结构的研究

<正> 聚丙烯腈纤维的预氧化过程是制备高强高模量碳纤维的重要环节,预氧化过程的研究对改进制备碳纤维的工艺,提高碳纤维的性能以及纺制新型原丝等等都有密切的关系,因此在这方面仍然进行着大量工作。近年来为了缩短预氧化时间,采用提高预氧化温度的措施,这样,聚丙烯腈纤维在某些预氧化条件下会形成皮芯二重结构,我所制备高强Ⅰ型碳纤维的预氧化纤维就是这样     

预氧化聚丙烯腈（PAN）纤维制造的碳／碳复合材料

采用不同表面宫能团的预氧化聚丙烯腈（PAN）纤维作为增强体，以酚醛树脂和煤沥青分别为基体材料制成的碳／碳复合材料已经开发出来了。树脂基复合材料的热解行为表现为：横截面收缩以及分别为18－24％和32－40％的重量损失，这取决于预氧化PAN纤维表面所含表面宫能团的数量。经1000℃热处理，树脂基复合材料的弹性强度和弹性模量分别在11．0－30MPa和30－50GPa范围内，而煤沥青基复合材料则在35－55MPa和30－50GPa范围内。经过石墨化（2700℃）处理后，树脂基复合材料的机械性能改变不大（复合物变脆），但煤沥青基复合材料的弱性强度则增加了4－6倍（200－250MPa），弹性模量增加2－3倍（100－120PGa）。因此，可利用预氧化PAN纤维作增强体来制备碳／碳复合材料，且与商业级碳纤维增强的碳／碳复合材料具有大致相同的机械性能（T－300，日本东丽制）。     

PVA基活性碳纤维的研制

探索了由民用大丝束聚乙烯醇纤维(PVAF)试制活性碳纤维(ACF)的可能性,以开辟新的原料路线,降低产品成本。PVAF首先用脱水剂处理,脱水剂浓度为10%(质量),然后在200—300℃进行热处理,处理后的纤维再经预氧化和碳化活化转化为ACF,ACF的收率为37.7%,比表面积为1050m~2/g。此外,还探索了用O_3处理PVAF。用差热、热失重和红外等手段对产物进行了表征,推论了相应的反应机理。结果表明:经适当处理的PVAF可制得具有较好吸附性能的ACF。