碳纖維材料是近年來研究熱門的一種新型高科技纖維材料,在人類的生產(chǎn)生活中發(fā)揮著越來越重要的作用。其憑借高強(qiáng)度、高模量、耐高溫、耐腐蝕、抗蠕變等優(yōu)異性能廣泛應(yīng)用于高精尖的航空航天、快速發(fā)展的交通運(yùn)輸、需求量大的建筑及復(fù)雜多樣的文體用品等領(lǐng)域。隨著碳纖維性能的多樣化及其生產(chǎn)成本的降低,其應(yīng)用的領(lǐng)域越來越廣。雖然碳纖維的性能優(yōu)異,但距其理論性能還相差甚遠(yuǎn),許多學(xué)者進(jìn)行了大量的科學(xué)研究都未取得顯著成效,目前最好的碳纖維的實際拉伸性能僅為理論值的百分之五左右。材料的微結(jié)構(gòu)決定其性能,因此對碳纖維生產(chǎn)過程中微結(jié)構(gòu)的變化及其對性能影響的相關(guān)研究迫在眉睫。碳纖維的制備過程主要包括原絲纖維的制備、預(yù)氧化過程、低溫碳化和高溫碳化。已有研究表明原絲纖維的性能決定著碳纖維的性能,本論文從微結(jié)構(gòu)入手對聚丙烯腈（PAN）纖維、預(yù)氧化纖維進(jìn)行系統(tǒng)研究。檢測PAN纖維紡絲過程中重要工藝節(jié)點(diǎn)得到的樣品微結(jié)構(gòu)變化,改進(jìn)了微孔洞參量的定量分析方法,為探索PAN原絲纖維的性能機(jī)制開辟了新的途徑。設(shè)計原位晶態(tài)結(jié)構(gòu)檢測設(shè)備,為纖維生產(chǎn)廠商控制產(chǎn)品質(zhì)量和提升生產(chǎn)效率提供保障。以PAN纖維微結(jié)構(gòu)研究成果為理論指導(dǎo),通過產(chǎn)學(xué)研結(jié)合,優(yōu)化... 

【文章來源】：吉林大學(xué)吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

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【學(xué)位級別】：博士

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PAN的分子結(jié)構(gòu)式

第一章緒論11伸工藝進(jìn)一步變細(xì)，沸水牽伸工藝的溫度比PAN纖維的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）略低，有利于增加絲束的結(jié)晶度、取向度，使PAN分子鏈的排列更規(guī)整。牽伸工藝主要是為了提高PAN分子鏈在纖維軸方向的取向度，因此在牽伸過程中通過加入溶劑的方法減小極化作用來增加分子鏈的取向[62]。為了防止纖維粘連和后續(xù)處理過程中纖維損傷，纖維需經(jīng)過兩至三道上油工藝，這步是在水溶性硅油溶液中進(jìn)行，為了控制絲束表面硅油的厚度和均勻性需要進(jìn)行多次上油，上油量太少起不到保護(hù)絲束的作用，上油量太多影響后續(xù)的碳化工藝。經(jīng)過上油后的絲束就進(jìn)入致密化工藝，致密化工藝是在不同溫度的熱輥上進(jìn)行的，干燥過程的溫度區(qū)間100~145C，干燥過程也要施加一定的拉伸力，用來防止絲束干燥過程收縮和卷曲，干燥后的絲束經(jīng)過加捻收絲得到了PAN原絲纖維。PAN原絲纖維的制備過程是將PAN粉末紡成具有一定力學(xué)性能的高分子聚合物纖維，PAN原絲纖維的優(yōu)劣由纖維的纖度、變異系數(shù)（CV值）、結(jié)晶度、取向度、密度、直徑圓度、孔隙率、缺陷多少和力學(xué)性能等多個因素決定，優(yōu)質(zhì)的PAN原絲纖維是制備高性能碳纖維的前提。1.3.2PAN預(yù)氧化纖維的制備圖1.2PAN纖維連續(xù)預(yù)氧化過程示意圖Fig.1.2SchematicofcontinuousoxidativestabilizationprocessesofPANfiberPAN原絲纖維在180~300C溫度區(qū)間，施加一定的牽伸力，PAN高分子纖維在低于其熔點(diǎn)溫度的條件下進(jìn)行環(huán)化反應(yīng)、氧化反應(yīng)和脫氫反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)束后形成較穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，得到PAN預(yù)氧化纖維[63,64]。這是從高分子聚合物向無機(jī)物

預(yù)氧化過程形成了多烯烴結(jié)構(gòu)，而其他的觀點(diǎn)認(rèn)為黑色的纖維是形成了更致密的環(huán)狀結(jié)構(gòu)[69-71]。一般來說，預(yù)氧化過程是一個很難調(diào)控的反應(yīng)過程，因此工藝上需要有多個梯度升溫過程，升溫過程導(dǎo)致氧化過程的放熱速率加劇，可能導(dǎo)致均聚物 PAN 纖維內(nèi)部和表面出現(xiàn)缺陷，尤其是在大絲束的預(yù)氧化過程中。然而研究發(fā)現(xiàn)，制備 PAN 聚合物時調(diào)節(jié)單體的種類和含量，能夠有效控制預(yù)氧化過程中放熱反應(yīng)的速率[72]。單體中含有功能性官能團(tuán)可能會引發(fā)副反應(yīng)，因此，基于單體的種類、含量、分布和超分子結(jié)構(gòu)等來制備滿足要求的 PAN 聚合物。在生產(chǎn)中，通過聚合過程引入功能性官能團(tuán)來減慢 PAN 預(yù)氧化反應(yīng)進(jìn)程。


本文編號：3102983