聚丙烯腈纤维微结构研究及其复合材料在锂电池中应用

发布时间：2021-03-27 05:34

　　碳纤维材料是近年来研究热门的一种新型高科技纤维材料,在人类的生产生活中发挥着越来越重要的作用。其凭借高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀、抗蠕变等优异性能广泛应用于高精尖的航空航天、快速发展的交通运输、需求量大的建筑及复杂多样的文体用品等领域。随着碳纤维性能的多样化及其生产成本的降低,其应用的领域越来越广。虽然碳纤维的性能优异,但距其理论性能还相差甚远,许多学者进行了大量的科学研究都未取得显著成效,目前最好的碳纤维的实际拉伸性能仅为理论值的百分之五左右。材料的微结构决定其性能,因此对碳纤维生产过程中微结构的变化及其对性能影响的相关研究迫在眉睫。碳纤维的制备过程主要包括原丝纤维的制备、预氧化过程、低温碳化和高温碳化。已有研究表明原丝纤维的性能决定着碳纤维的性能,本论文从微结构入手对聚丙烯腈（PAN）纤维、预氧化纤维进行系统研究。检测PAN纤维纺丝过程中重要工艺节点得到的样品微结构变化,改进了微孔洞参量的定量分析方法,为探索PAN原丝纤维的性能机制开辟了新的途径。设计原位晶态结构检测设备,为纤维生产厂商控制产品质量和提升生产效率提供保障。以PAN纤维微结构研究成果为理论指导,通过产学研结合,优化... 

【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：144 页

【学位级别】：博士

【部分图文】：

PAN的分子结构式

第一章绪论11伸工艺进一步变细，沸水牵伸工艺的温度比PAN纤维的玻璃化转变温度（Tg）略低，有利于增加丝束的结晶度、取向度，使PAN分子链的排列更规整。牵伸工艺主要是为了提高PAN分子链在纤维轴方向的取向度，因此在牵伸过程中通过加入溶剂的方法减小极化作用来增加分子链的取向[62]。为了防止纤维粘连和后续处理过程中纤维损伤，纤维需经过两至三道上油工艺，这步是在水溶性硅油溶液中进行，为了控制丝束表面硅油的厚度和均匀性需要进行多次上油，上油量太少起不到保护丝束的作用，上油量太多影响后续的碳化工艺。经过上油后的丝束就进入致密化工艺，致密化工艺是在不同温度的热辊上进行的，干燥过程的温度区间100~145C，干燥过程也要施加一定的拉伸力，用来防止丝束干燥过程收缩和卷曲，干燥后的丝束经过加捻收丝得到了PAN原丝纤维。PAN原丝纤维的制备过程是将PAN粉末纺成具有一定力学性能的高分子聚合物纤维，PAN原丝纤维的优劣由纤维的纤度、变异系数（CV值）、结晶度、取向度、密度、直径圆度、孔隙率、缺陷多少和力学性能等多个因素决定，优质的PAN原丝纤维是制备高性能碳纤维的前提。1.3.2PAN预氧化纤维的制备图1.2PAN纤维连续预氧化过程示意图Fig.1.2SchematicofcontinuousoxidativestabilizationprocessesofPANfiberPAN原丝纤维在180~300C温度区间，施加一定的牵伸力，PAN高分子纤维在低于其熔点温度的条件下进行环化反应、氧化反应和脱氢反应，反应结束后形成较稳定的结构，得到PAN预氧化纤维[63,64]。这是从高分子聚合物向无机物

预氧化过程形成了多烯烃结构，而其他的观点认为黑色的纤维是形成了更致密的环状结构[69-71]。一般来说，预氧化过程是一个很难调控的反应过程，因此工艺上需要有多个梯度升温过程，升温过程导致氧化过程的放热速率加剧，可能导致均聚物 PAN 纤维内部和表面出现缺陷，尤其是在大丝束的预氧化过程中。然而研究发现，制备 PAN 聚合物时调节单体的种类和含量，能够有效控制预氧化过程中放热反应的速率[72]。单体中含有功能性官能团可能会引发副反应，因此，基于单体的种类、含量、分布和超分子结构等来制备满足要求的 PAN 聚合物。在生产中，通过聚合过程引入功能性官能团来减慢 PAN 预氧化反应进程。


本文编号：3102983