PAN纤维预氧化过程的研究及其环化竞争过程的探讨

论文摘要

本文使用先进的表征手段系统的研究分析了不同预氧化程度PAN’预氧化纤维晶体结构、化学结构、元素成分、纤维组织结构；同时采用DSC热分析仪研究了PAN纤维的热性能以及PAN纤维热性能与工艺参数设定的相关性；并且利用第四统计力学定量的研究了PAN纤维在不同时间不同预氧化温度下的环化反应度、环化竞争过程、环化反应能；最后探讨了预氧化工艺参数对PAN纤维预氧化的影响以及对最终碳纤维性能的影响。研究发现,PAN纤维经过预氧化,化学结构以由原来带有C=N、CH2基团线形结构环化成带有C=N与C=C基团的耐热梯形结构；原有的晶体结构转变成新的类似于晶面间距为3.4A乱层石墨（002）晶面的有序结构,且PAN纤维在20≈17°和20≈29°衍射峰强度变得很小或基本消失；PAN纤维及其预氧化纤维表面的沟纹变窄变浅,其断面形貌还是存在着纤维的原纤结构,但是原丝的韧性断裂慢慢转变成脆性断裂,预氧化纤维的皮芯结构已不是很明显了通过计算预氧化过程中预氧化的评价指标：相对环化率、芳构化指数、环化反应度α,发现他们在较高的温度时增加的更快、更剧烈些,这说明环化反应对温度很敏感并且环化反应也需要时间的积累。使用JRG-第四统计力学理论定量的计算了预氧化环化过程的竞争能力、环化反应能（49.942KJ/mol）,发现这一预氧化体系中有利于环化反应,但是环化反应并不彻底,而是处于环状分子和线形分子共存的状态,只有经过更高的温度才能使得线形分子完全的转化成环状耐热的梯形分子结构。对于时间的考察,延长预氧化时间有利于PAN纤维的环化、皮芯结构的减小；对于温度的考察,温度梯度分布变少更有利于PAN纤维晶体结构的完善,但是其化学组成上基本不变,纤维的皮芯结构减少；对于牵伸作用的考察,发现牵伸在预氧化反应低温区并没有促进纤维的环化反应,但是能保证纤维沿着其轴向方向的取向度。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 碳纤维简介、发展历史、发展现状和趋势
• 1.1.1 碳纤维简介
• 1.1.2 碳纤维发展历史
• 1.1.3 碳纤维现状和发展趋势
• 1.2 聚丙烯睛基碳纤维（CF）的生产工艺过程
• 1.2.1 生产碳纤维的工艺流程
• 1.2.2 纺丝液的合成
• 1.2.3 聚丙烯腈（PAN）原丝的制造
• 1.2.4 聚丙烯腈（PAN）原丝的预氧化处理
• 1.2.5 PAN预氧化纤维的碳化处理
• 1.3 预氧化研究现状
• 1.3.1 预氧化设备及注意事项
• 1.3.2 聚丙烯腈（PAN）原丝预氧化过程分析
• 1.3.3 PAN纤维的化学变化
• 1.3.4 预氧化过程中结构的变化
• 1.3.5 预氧化过程中物理变化
• 1.3.6 预氧化过程中氧含量的变化
• 1.3.7 预氧化工艺参数对预氧化的影响
• 1.3.8 预氧化程度的评价指标
• 1.4 本论文研究主要内容和意义
• 第二章 实验材料与实验方法
• 2.1 实验技术路线
• 2.2 实验材料和实验
• 2.2.1 原材料
• 2.2.2 实验仪器
• 2.2.3 PAN纤维的预氧化
• 2.2.4 预氧化纤维的碳化
• 2.3 实验表征方法
• 2.3.1 热分析实验
• 2.3.2 傅立叶红外分析光谱仪（FT-IR）的表征
• 2.3.3 元素分析仪的表征
• 2.3.4 X射线衍射仪（XRD）
• 2.3.5 电子单纤维强力机
• 2.3.6 体密度的测定
• 2.3.7 扫描电子显微镜SEM
• 第三章 PAN纤维预氧化过程中结构演变及热行为的研究
• 3.1 前言
• 3.2 预氧化实验
• 3.2.1 梯度升温预氧化实验
• 3.2.2 DSC实验
• 3.3 不同预氧化阶段预氧化纤维的结构变化研究
• 3.3.1 预氧化纤维化学结构的变化
• 3.3.2 预氧化纤维晶体结构的变化
• 3.4 不同预氧化阶段预氧化纤维的微结构变化研究
• 3.4.1 预氧化纤维表面形貌
• 3.4.2 预氧化纤维截面形貌
• 3.5 不同预氧化阶段预氧化纤维元素含量变化研究
• 3.6 PAN纤维的DSC分析
• 3.6.1 不同气氛对PAN纤维热行为的影响
• 3.6.2 升温速率对PAN纤维热行为的影响
• 3.7 本章小结
• 第四章 PAN环化反应过程的探讨
• 4.1 前言
• 4.2 实验过程
• 4.3 PAN纤维的环化反应能力的探讨
• 4.3.1 群子统计理论与PAN纤维环化反应的关系
• 4.3.2 PAN纤维环化反应度α
• 4.3.3 PAN分子环化反应竞争的过程理论计算
• 4.4 小结
• 第五章 不同工艺参数制备的预氧化纤维实例分析及对最终碳纤维性能影响
• 5.1 前言
• 5.2 预氧化实验
• 5.3 预氧化停留时间对PAN纤维结构演变和性能的影响
• 5.3.1 预氧化纤维的红外分析
• 5.3.2 预氧化纤维的XRD的分析
• 5.3.3 预氧化纤维的SEM的分析
• 5.3.4 预氧纤维力学性能的变化
• 5.4 预氧化温度对PAN纤维结构演变的影响
• 5.4.1 预氧化纤维的红外分析
• 5.4.2 预氧化纤维的XRD分析
• 5.5 牵伸对PAN纤维结构演变的影响
• 5.5.1 零牵伸和6%牵伸下的红外图谱
• 5.5.2 零牵伸和6%牵伸下的XRD图谱
• 5.6 不同预氧化纤维对最终碳纤维性能的影响
• 5.7 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 研究成果及发表的学术论文
• 作者和导师简介
• 附录