本文關鍵詞：低溫預氧化、環(huán)化反應對聚丙烯腈碳纖維結構與性能的影響，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：碳纖維的理論拉伸強度為180 GPa,模量為1020 GPa,然而工業(yè)化生產(chǎn)的碳纖維的強度遠遠低于其理論強度,目前實驗室制備的碳纖維的最大拉伸強度為9.03 GPa,僅為理論值的5%。因此,碳纖維拉伸強度的進一步提高仍有很大的空間。造成碳纖維的實強度遠遠低于理論強度的主要原因是由于纖維的結構缺陷,如微孔、裂紋、皮芯結構,以及微晶非取向所致。工業(yè)化碳纖維碳收率低是造成碳纖維力學性能低的另一個原因。聚丙烯腈(PAN)纖維在預氧化過程中分子鏈逐步發(fā)生分子內(nèi)環(huán)化以及分子間交聯(lián)反應,轉化為具有耐熱的梯型結構,碳化過程未發(fā)生環(huán)化的分子進一步發(fā)生交聯(lián)反應,逐漸形成碳網(wǎng)平面結構,同時未環(huán)化的線型鏈段和端基在高溫下裂解成小分子逸走,因此,工業(yè)化生產(chǎn)的碳纖維實際碳化收率低于50%,而PAN原絲的理論碳化收率為68%左右,碳收率低不僅影響碳纖維的性能也影響產(chǎn)量。本文圍繞如何降低碳纖維生產(chǎn)工藝過程缺陷的產(chǎn)生以及減緩鏈段裂解提高碳收率,從而提高碳纖維力學性能為目標,首次提出低溫熱處理的預氧化方法來促進氰基部分環(huán)化交聯(lián)反應,減少鏈段在高溫下的裂解,采用傅里葉紅外光譜儀(FTIR)、熱重分析儀(TG)、差示掃描量熱儀(DSC)、X射線衍射儀(XRD)、小角X射線散射儀(SAXS)、掃描電子顯微鏡(SEM)等技術表征PAN纖維在低溫熱處理過程化學結構、熱性能、晶體結構等變化;以及低溫熱處理方法對PAN纖維預氧化以及碳化行為的影響,具體研究結果如下:(1)研究了120 oC以及130 oC低溫熱處理對PAN纖維化學結構的變化,認為低溫熱處理過程PAN分子主要在非晶區(qū)發(fā)生部分環(huán)化和氧化反應,形成耐熱的含氧的芳構化吡啶環(huán)結構,抑制分子鏈的解取向;研究原絲和處理絲的熱失重情況發(fā)現(xiàn),處理絲在高溫下的裂解情況相對原絲減緩,因此處理絲的碳收率高于原絲;比較了120 oC以及130 oC兩種低溫熱處理溫度對PAN纖維結構的影響,認為120 oC是更適宜的熱處理溫度。(2)研究了原絲P0和120 oC處理絲P1在預氧化階段的結構變化,由于120 oC熱處理過程發(fā)生部分環(huán)化反應,因此在預氧化前期(250 oC)之前,處理絲P1的環(huán)化反應較慢,在預氧化后期(250 oC)之后,處理絲P1的環(huán)化度大于原絲P0,因此在預氧化階段可以提高預氧化起始溫度,縮短預氧化溫區(qū);研究了原絲和120 oC處理絲在預氧化階段的拉伸強度和缺陷的變化,兩者的拉伸強度均不斷下降,處理絲的拉伸強度比原絲高,這是由于處理絲的缺陷更少所致。(3)研究了原絲P0和120 oC處理絲P1在低溫碳化階段的結構變化,PAN分子進一步發(fā)生分子間交聯(lián)反應形成碳網(wǎng)平面結構。研究表明處理絲在低溫碳化階段形成的多環(huán)芳香結構層數(shù)更多,微晶取向程度更高,碳網(wǎng)平面堆砌更緊密。進一步進行高溫碳化實驗,1400 oC高溫碳化溫度下制備得到碳纖維拉伸性能最好。比較了原絲和處理絲制備得到的碳纖維結構和性能的差異,處理絲制備的碳纖維石墨化程度更高,微孔缺陷更小,微晶取向度更高,因而拉伸性能更好。低溫熱處理方法對于制備高性能碳纖維具有重要的意義。
【關鍵詞】：碳纖維 熱處理 環(huán)化 微觀結構 力學性能
【學位授予單位】：華南理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TQ342.742
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第一章 緒論12-37
• 1.1 PAN基碳纖維的發(fā)展12-13
• 1.2 PAN基碳纖維的制備13-14
• 1.3 PAN纖維的預氧化研究14-25
• 1.3.1 預氧化過程中的結構轉變15-19
• 1.3.2 預氧化過程中的化學反應機理19-20
• 1.3.3 預氧化工藝20-25
• 1.4 PAN基碳纖維中的缺陷研究25-34
• 1.4.1 小角X射線散射方法（SAXS）基本理論及應用26
• 1.4.2 碳纖維中小角X射線散射理論模型26-30
• 1.4.3 SAXS方法在纖維缺陷研究中的應用30-34
• 1.5 本文的研究目的及內(nèi)容34-37
• 第二章 樣品制備和表征方法37-41
• 2.1 實驗原料及試劑37
• 2.2 實驗儀器與設備37
• 2.3 PAN原絲的低溫熱處理37-38
• 2.4 預氧化和碳化設備及工藝38
• 2.5 測試與表征方法38-41
• 2.5.1 熱性能分析38
• 2.5.2 紅外光譜分析38
• 2.5.3 元素分析38-39
• 2.5.4 拉曼光譜分析39
• 2.5.5 X射線光電子能譜分析39
• 2.5.6 X射線衍射分析39-40
• 2.5.7 動態(tài)熱機械分析40
• 2.5.8 固體核磁分析40
• 2.5.9 力學性能測試40
• 2.5.10 掃描電鏡微觀形貌分析40
• 2.5.11小角X射線散射分析40-41
• 第三章 低溫熱處理過程PAN纖維結構的變化41-70
• 3.1 原絲和低溫處理絲的化學結構41-46
• 3.1.1 FTIR研究化學結構的變化41-43
• 3.1.2 XPS研究化學鍵的變化43-46
• 3.2 原絲和低溫處理絲的熱性能46-56
• 3.2.1 PAN原絲在低溫熱處理過程中失重情況46-48
• 3.2.2 DSC分析原絲和低溫處理絲的熱行為48-53
• 3.2.3 TG分析原絲和低溫處理絲的熱行為53-55
• 3.2.4 DMA法研究原絲和低溫處理絲的熱機械性能55-56
• 3.3 原絲和低溫處理絲的晶體結構56-59
• 3.4 原絲和低溫處理絲的元素含量59
• 3.5 SAXS法研究原絲和低溫處理絲微孔缺陷變化59-60
• 3.6 PAN膜的制備及結構表征60-69
• 3.7 本章小結69-70
• 第四章 低溫熱處理對PAN纖維預氧化行為的影響70-94
• 4.1 FTIR研究化學結構的變化70-78
• 4.2 XRD法研究晶體結構的變化78-81
• 4.3 元素含量的變化81-85
• 4.4 拉伸性能的變化85-86
• 4.5 SAXS法研究微孔缺陷的變化86-90
• 4.6 SEM研究預氧化過程表面形貌的演變90-91
• 4.7 PAN原絲和低溫處理絲的熱收縮行為91-93
• 4.8 本章小結93-94
• 第五章 低溫熱處理對PAN纖維碳化行為的影響94-117
• 5.1 FTIR研究低溫碳化過程纖維結構的變化94-97
• 5.2 NMR研究低溫碳化過程纖維C骨架的變化97-102
• 5.2.1 預氧化纖維的13C結構圖97-98
• 5.2.2 低溫碳化過程13C結構的變化98-102
• 5.3 低溫碳化纖維的熱性能102-105
• 5.4 低溫碳化過程纖維晶體結構的變化105-108
• 5.5 低溫碳化過程微孔缺陷的變化108-109
• 5.6 低溫碳化過程纖維斷面形貌的演變109-110
• 5.7 碳纖維的結構與性能110-115
• 5.8 本章小結115-117
• 結論117-119
• 參考文獻119-127
• 攻讀博士學位期間取得的研究成果127-128
• 致謝128-129
• 附件129

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 ;聚丙烯腈基炭纖維[J];新型碳材料;1998年04期

  本文關鍵詞：低溫預氧化、環(huán)化反應對聚丙烯腈碳纖維結構與性能的影響，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

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本文編號：400583