低温预氧化、环化反应对聚丙烯腈碳纤维结构与性能的影响

发布时间：2017-05-27 17:01

  本文关键词：低温预氧化、环化反应对聚丙烯腈碳纤维结构与性能的影响，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：碳纤维的理论拉伸强度为180 GPa,模量为1020 GPa,然而工业化生产的碳纤维的强度远远低于其理论强度,目前实验室制备的碳纤维的最大拉伸强度为9.03 GPa,仅为理论值的5%。因此,碳纤维拉伸强度的进一步提高仍有很大的空间。造成碳纤维的实强度远远低于理论强度的主要原因是由于纤维的结构缺陷,如微孔、裂纹、皮芯结构,以及微晶非取向所致。工业化碳纤维碳收率低是造成碳纤维力学性能低的另一个原因。聚丙烯腈(PAN)纤维在预氧化过程中分子链逐步发生分子内环化以及分子间交联反应,转化为具有耐热的梯型结构,碳化过程未发生环化的分子进一步发生交联反应,逐渐形成碳网平面结构,同时未环化的线型链段和端基在高温下裂解成小分子逸走,因此,工业化生产的碳纤维实际碳化收率低于50%,而PAN原丝的理论碳化收率为68%左右,碳收率低不仅影响碳纤维的性能也影响产量。本文围绕如何降低碳纤维生产工艺过程缺陷的产生以及减缓链段裂解提高碳收率,从而提高碳纤维力学性能为目标,首次提出低温热处理的预氧化方法来促进氰基部分环化交联反应,减少链段在高温下的裂解,采用傅里叶红外光谱仪(FTIR)、热重分析仪(TG)、差示扫描量热仪(DSC)、X射线衍射仪(XRD)、小角X射线散射仪(SAXS)、扫描电子显微镜(SEM)等技术表征PAN纤维在低温热处理过程化学结构、热性能、晶体结构等变化;以及低温热处理方法对PAN纤维预氧化以及碳化行为的影响,具体研究结果如下:(1)研究了120 oC以及130 oC低温热处理对PAN纤维化学结构的变化,认为低温热处理过程PAN分子主要在非晶区发生部分环化和氧化反应,形成耐热的含氧的芳构化吡啶环结构,抑制分子链的解取向;研究原丝和处理丝的热失重情况发现,处理丝在高温下的裂解情况相对原丝减缓,因此处理丝的碳收率高于原丝;比较了120 oC以及130 oC两种低温热处理温度对PAN纤维结构的影响,认为120 oC是更适宜的热处理温度。(2)研究了原丝P0和120 oC处理丝P1在预氧化阶段的结构变化,由于120 oC热处理过程发生部分环化反应,因此在预氧化前期(250 oC)之前,处理丝P1的环化反应较慢,在预氧化后期(250 oC)之后,处理丝P1的环化度大于原丝P0,因此在预氧化阶段可以提高预氧化起始温度,缩短预氧化温区;研究了原丝和120 oC处理丝在预氧化阶段的拉伸强度和缺陷的变化,两者的拉伸强度均不断下降,处理丝的拉伸强度比原丝高,这是由于处理丝的缺陷更少所致。(3)研究了原丝P0和120 oC处理丝P1在低温碳化阶段的结构变化,PAN分子进一步发生分子间交联反应形成碳网平面结构。研究表明处理丝在低温碳化阶段形成的多环芳香结构层数更多,微晶取向程度更高,碳网平面堆砌更紧密。进一步进行高温碳化实验,1400 oC高温碳化温度下制备得到碳纤维拉伸性能最好。比较了原丝和处理丝制备得到的碳纤维结构和性能的差异,处理丝制备的碳纤维石墨化程度更高,微孔缺陷更小,微晶取向度更高,因而拉伸性能更好。低温热处理方法对于制备高性能碳纤维具有重要的意义。
【关键词】：碳纤维 热处理 环化 微观结构 力学性能
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ342.742
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第一章 绪论12-37
• 1.1 PAN基碳纤维的发展12-13
• 1.2 PAN基碳纤维的制备13-14
• 1.3 PAN纤维的预氧化研究14-25
• 1.3.1 预氧化过程中的结构转变15-19
• 1.3.2 预氧化过程中的化学反应机理19-20
• 1.3.3 预氧化工艺20-25
• 1.4 PAN基碳纤维中的缺陷研究25-34
• 1.4.1 小角X射线散射方法（SAXS）基本理论及应用26
• 1.4.2 碳纤维中小角X射线散射理论模型26-30
• 1.4.3 SAXS方法在纤维缺陷研究中的应用30-34
• 1.5 本文的研究目的及内容34-37
• 第二章 样品制备和表征方法37-41
• 2.1 实验原料及试剂37
• 2.2 实验仪器与设备37
• 2.3 PAN原丝的低温热处理37-38
• 2.4 预氧化和碳化设备及工艺38
• 2.5 测试与表征方法38-41
• 2.5.1 热性能分析38
• 2.5.2 红外光谱分析38
• 2.5.3 元素分析38-39
• 2.5.4 拉曼光谱分析39
• 2.5.5 X射线光电子能谱分析39
• 2.5.6 X射线衍射分析39-40
• 2.5.7 动态热机械分析40
• 2.5.8 固体核磁分析40
• 2.5.9 力学性能测试40
• 2.5.10 扫描电镜微观形貌分析40
• 2.5.11小角X射线散射分析40-41
• 第三章 低温热处理过程PAN纤维结构的变化41-70
• 3.1 原丝和低温处理丝的化学结构41-46
• 3.1.1 FTIR研究化学结构的变化41-43
• 3.1.2 XPS研究化学键的变化43-46
• 3.2 原丝和低温处理丝的热性能46-56
• 3.2.1 PAN原丝在低温热处理过程中失重情况46-48
• 3.2.2 DSC分析原丝和低温处理丝的热行为48-53
• 3.2.3 TG分析原丝和低温处理丝的热行为53-55
• 3.2.4 DMA法研究原丝和低温处理丝的热机械性能55-56
• 3.3 原丝和低温处理丝的晶体结构56-59
• 3.4 原丝和低温处理丝的元素含量59
• 3.5 SAXS法研究原丝和低温处理丝微孔缺陷变化59-60
• 3.6 PAN膜的制备及结构表征60-69
• 3.7 本章小结69-70
• 第四章 低温热处理对PAN纤维预氧化行为的影响70-94
• 4.1 FTIR研究化学结构的变化70-78
• 4.2 XRD法研究晶体结构的变化78-81
• 4.3 元素含量的变化81-85
• 4.4 拉伸性能的变化85-86
• 4.5 SAXS法研究微孔缺陷的变化86-90
• 4.6 SEM研究预氧化过程表面形貌的演变90-91
• 4.7 PAN原丝和低温处理丝的热收缩行为91-93
• 4.8 本章小结93-94
• 第五章 低温热处理对PAN纤维碳化行为的影响94-117
• 5.1 FTIR研究低温碳化过程纤维结构的变化94-97
• 5.2 NMR研究低温碳化过程纤维C骨架的变化97-102
• 5.2.1 预氧化纤维的13C结构图97-98
• 5.2.2 低温碳化过程13C结构的变化98-102
• 5.3 低温碳化纤维的热性能102-105
• 5.4 低温碳化过程纤维晶体结构的变化105-108
• 5.5 低温碳化过程微孔缺陷的变化108-109
• 5.6 低温碳化过程纤维断面形貌的演变109-110
• 5.7 碳纤维的结构与性能110-115
• 5.8 本章小结115-117
• 结论117-119
• 参考文献119-127
• 攻读博士学位期间取得的研究成果127-128
• 致谢128-129
• 附件129

【参考文献】

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1 ;聚丙烯腈基炭纤维[J];新型碳材料;1998年04期

  本文关键词：低温预氧化、环化反应对聚丙烯腈碳纤维结构与性能的影响，由笔耕文化传播整理发布。

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本文编号：400583