聚丙烯腈纤维的预氧化工艺与物化行为研究

论文题目: 聚丙烯腈纤维的预氧化工艺与物化行为研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 材料学

作者: 何东新

导师: 王成国

关键词: 聚丙烯腈纤维,预氧化纤维,预氧化工艺,物化行为,结构

文献来源: 山东大学

发表年度: 2005

论文摘要: 预氧化处理在聚丙烯腈(PAN)纤维到最终炭纤维的转变过程中起桥梁作用,是必经中间阶段,因此,对PAN纤维预氧化的研究很有价值。本论文采用先进的样品制备方法和测试方法,首先对不同PAN纤维进行对比分析;其次研究了PAN纤维预氧化的有关工艺参数和纤维在预氧化阶段的物化行为,系统分析PAN纤维在各不同预氧化阶段的结构、元素含量和密度变化,并对炭纤维力学性能进行了测试评价;最后,探讨了预氧化纤维中的缺陷及其来源,以便优化工艺,进一步提高炭纤维性能。为比较不同PAN纤维在结构和性能上的差异,采用X-射线衍射(XRD)、傅立叶变换红外光谱(FT-IR)、元素分析、透射电镜(TEM)、高温差示扫描量热分析(DSC)和拉伸试验等多种测试方法,结果表明优质PAN纤维具有如下结构和性能特征:低纤度、高强度、环化反应期间放热量少且放热范围宽;致密性好、取向度高、结晶度适当、晶粒尺寸小且分布弥散均匀、缺陷少。用高温热分析仪在室温-1400℃范围内测得PAN纤维的DSC曲线,发现PAN纤维制备炭纤维过程中发生多次结构转变。PAN纤维的高温DSC测试结果可以作为制定预氧化和炭化工艺的依据。与PAN纤维的高温DSC测试条件相同,最终预氧化纤维DSC曲线上的335℃放热峰是由残余氰基环化反应引起,说明预氧化处理不充分。用普通热分析仪在室温-400℃范围内测得不同预氧化阶段纤维的DSC曲线,并用元素分析仪测定对应纤维的元素含量,结果表明加热历史对DSC曲线和成分变化有较大影响。在190-270℃之间,加热温度增加和加热时间延长使放热范围变宽,放热峰移向更高温度,最终预氧化纤维的放热峰温度达到329.9℃,放热范围变宽可避免纤维因放热集中而烧断。中温炭化起始温度以不低于350℃为宜。 PAN纤维在预氧化过程中发生了复杂的物理变化和化学反应,产生的累积收缩和结构变化是物化行为表现。累积收缩导致纤维内部应力的产生,PAN纤维预氧化过程中的张力变化由内部应力引起,因此张力变化反映了PAN纤维的热稳定性状况。用张力仪测定预氧化工艺和纤维类别、性能不同时的纤维张力,

论文目录:

摘要

ABSTRACT

本文创新与主要贡献

符号说明

第1章绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 炭纤维的发展历史、分类、性能、应用及生产能力

1．2．1 炭纤维的发展历史

1．2．2 炭纤维的分类

1．2．3 炭纤维的性能

1．2．4 碳纤维的应用

1．2．5 炭纤维的生产能力

1．3 PAN基炭纤维的生产过程

1．3．1 生产 PAN基炭纤维的工艺过程

1．3．2 共聚单体

1．3．3 PAN原液的聚合和PAN纤维制备

1．3．3．1 聚合方法

1．3．3．2 脱单体、脱泡和过滤

1．3．3．3 纺丝

1．3．4 PAN纤维的预氧化处理

1．3．5 PAN预氧化纤维的炭化处理

1．4 预氧化研究现状

1．4．1 预氧化装备和预氧化方式

1．4．2 炭纤维用PAN纤维的改性

1．4．3 预氧化工艺

1．4．4 PAN纤维在预氧化阶段的反应和变化

1．4．5 预氧化纤维的成分、结构和预氧化程度的质量指标

1．4．6 PAN纤维、预氧化纤维和最终炭纤维性能的相关性

1．5 本论文的研究内容

第2章实验材料和实验方法

2．1 原材料

2．2 PAN纤维制备

2．3 PAN纤维的预氧化和炭化

2．4 测试方法和测试设备

2．5 样品制备方法和测试条件

2．5．1 透射电镜样品制备方法和测试条件

2．5．2 电子探针和扫描电镜样品制备方法

2．5．3 傅立叶变换红外光谱测试

2．5．4 X射线衍射测试

2．5．5 热分析测试

2．5．6 元素分析测试

2．5．7 力学性能测试

2．5．8 体密度测试

第3章自产 PAN纤维与国外 PAN纤维的对比研究

3．1 前言

3．2 PAN纤维的性能对比

3．3 不同 PAN纤维的成分和结构对比

3．4 PAN纤维结构和性能间的关系

3．5 小结

第4章 PAN纤维的预氧化温度选择和加热历史研究

4．1 前言

4．2 PAN纤维的预氧化和炭化工艺参数制定依据

4．2．1 PAN纤维的高温 DSC分析

4．2．2 PAN预氧化纤维和炭纤维的高温 DSC分析

4．3 PAN纤维的加热历史影响

4．3．1 元素分析

4．3．2 普通 DSC分析

4．4 小结

第5章 PAN纤维预氧化过程中的张力-温度关系

5．1 前言

5．2 纤度和牵伸对 PAN纤维预氧化过程中张力-温度关系的影响

5．2．1 PAN纤维的力学性能

5．2．2 纤度对PAN纤维预氧化过程中张力-温度关系的影响

5．2．3 牵伸对 PAN纤维预氧化过程中温度-张力关系的影响

5．3 不同PAN纤维和不同工艺在预氧化过程中的张力-温度关系

5．3．1 不同 PAN纤维的差异

5．3．2 不同 PAN纤维对张力-温度关系的影响

5．3．3 相同 PAN纤维的不同预氧化工艺对张力-温度关系的影响

5．4 预氧化时间对 PAN纤维张力-温度关系的影响

5．5 PAN纤维预氧化过程中的牵伸率优化途径

5．6 小结

第6章 PAN纤维和预氧化纤维的精细结构研究

6．1 前言

6．2 预氧化纤维的制备

6．3 PAN纤维和预氧化纤维的 XRD分析

6．4 PAN纤维和预氧化纤维的 FT-IR分析

6．5 PAN纤维和预氧化纤维的精细结构及其演变

6．5．1 PAN纤维的精细结构

6．5．2 预氧化纤维的精细结构

6．5．3 PAN纤维预氧化处理的精细结构演变

6．6 PAN纤维预氧化处理的结晶学探讨

6．7 小结

第7章预氧化过程中氧、氮元素扩散对结构变化的影响

7．1 前言

7．2 红外光谱分析

7．3 纤维中氧、氮元素含量和密度变化的分析

7．4 纤维横截面的光学显微镜图像及分析

7．5 纤维横截面氧、氮元素的线分布

7．6 扩散机理探讨

7．7 小结

第8章 PAN纤维预氧化实例分析和炭纤维力学性能评价

8．1 前言

8．2 PAN纤维的性能和横截面形状

8．3 不同预氧化阶段纤维的颜色和密度变化

8．4 不同预氧化阶段纤维的 FT-IR光谱分析

8．5 不同预氧化阶段纤维的 XRD分析

8．6 不同预氧化阶段纤维的元素分析

8．7 炭纤维的力学性能测试

8．8 小结

第9章 PAN纤维在预氧化阶段的缺陷形成和缺陷“遗传”

9．1 前言

9．2 预氧化纤维的内部结构缺陷

9．3 预氧化纤维的表面缺陷

9．4 PAN纤维预氧化阶段的缺陷“遗传”

9．5 减少预氧化纤维中缺陷的途径探讨

9．6 小结

第10章结论

参考文献

致谢

附录

附录 1:攻读博士学位期间撰写和发表的学术论文

附录 2:攻读博士学位期间参与课题情况

附录 3:攻读博士学位期间获奖与科研成果情况

学位论文评阅及答辩情况表

发布时间: 2005-10-17

参考文献

[1].预氧化过程中聚丙烯腈纤维结构演变及性能研究[D]. 胡秀颖.山东大学2012

聚丙烯腈纤维的预氧化工艺与物化行为研究

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