低温碳化过程中PAN纤维结构与性能的研究

论文摘要

本论文以自制预氧化纤维为研究对象,对其进行不同工艺条件的碳化处理,研究了温度和时间对纤维力学性能的影响；运用固体核磁碳谱（NMR）、X-射线衍射（XRD）和激光拉曼光谱（Raman）对纤维骨架结构、聚集态结构和化学结构进行了表征；利用TG-FTIR、气相裂解色谱和元素分析（EA）分析了在低温碳化过程中预氧化纤维中组成的变化和非C成份脱除的规律；在此基础上提出了提出了预氧化纤维在低温碳化过程中多环芳香结构层增长机制。研究结果表明：在400-1000℃温度范围内,随着碳化处理温度的提高,纤维中C含量基本呈线性增加,而非C成份N、H和O则成线性降低。纤维中非碳元素不断被脱除,C不断富集。而延长纤维的碳化处理时间,纤维组成的含量也有相同的变化趋势。纤维中非C成份主要以烷烃、烯烃类、腈类、酰胺类、酰苯胺类、芳香族取代物、嘧啶和喹啉类物质以及HCN、CH4、NH3、CO、CO2和H20等气体的形式脱除。在500-800℃时,随着碳化处理温度的升高,纤维多环芳香结构中SP2杂化的C=C结构不断增多,SP3杂化的无定形碳结构不断被脱除；多环芳香结构的对称度不断升高。同时,纤维中微晶堆叠厚度La、微晶基面宽度Lc不断增长。500℃时延长纤维碳化处理时间,纤维多环芳香结构中SP2杂化的C=C结构不断增多,SP3杂化的无定形碳结构不断被脱除,700℃时延长碳化处理时间纤维中C结构也有类似的变化。纤维中微晶堆叠厚度La、微晶基面宽度Lc也呈现不断增长趋势。随着碳化处理温度的升高,骨架结构中共轭-HC=C<和>C=N-逐渐减小,共轭>C=C<结构逐渐增加,形成多层多环芳香结构。多环芳香结构的平均层数与碳化温度密切相关,经500、600、700、800碳化处理后纤维骨架结构中多环芳香结构平均层数分别达到1.29、2.17、2.81和3.42。纤维骨架结构中N主要是以共轭-C=N-形式存在。在500℃时延长碳化处理时间,纤维中多环芳香结构平均层数增长缓慢。而700℃时多环芳香结构平均层数增长较快。纤维的强度和模量与纤维中多环芳香结构平均层有密切关系。在低温碳化过程中,纤维的强度和模量随着多环芳香结构平均层数的增长而增强；在多环芳香结构平均层数在4.5层以前,纤维的强度和模量增长程度较快,而4.5层以后增长程度变缓。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 碳纤维简介
• 1.2 聚丙烯腈基（PAN）碳纤维的制备
• 1.3 聚丙烯腈（PAN）原丝的预氧化
• 1.3.1 预氧化处理过程中的化学反应
• 1.3.2 预氧化纤维的化学结构
• 1.4 碳化
• 1.4.1 预氧化纤维在碳化处理过程中的化学反应
• 1.4.2 预氧化纤维在碳化处理过程中官能团结构的变化
• 1.4.3 预氧化纤维在碳化处理过程中纤维的N、O元素变化
• 1.4.4 预氧化纤维在碳化处理过程中晶体结构的变化
• 1.4.5 利用拉曼光谱研究纤维中的化学结构
• 1.5 选题意义
• 1.5.1 论文选题的立论、目的和意义
• 1.5.2 研究内容
• 第二章 实验部分
• 2.1 样品来源
• 2.2 试验方法和设备
• 2.2.1 样品的制备
• 2.2.2 试验设备
• 2.3 相关测试手段
• 13C谱(¹³C-NMR)'>2.3.1 固体核磁碳¹³C谱(¹³C-NMR)
• 2.3.2 元素分析（EA）
• 2.3.3 X射线衍射（XRD）
• 2.3.4 拉曼散射光谱（Raman）
• 2.3.5 热失重红外联用（TG-FTIR）
• 2.3.6 气相裂解色谱（PyGC）
• 2.3.7 线密度测试
• 2.3.8 体密度测试
• 2.3.9 机械性能测试
• 第三章 结果与讨论
• 3.1 预氧化纤维的结构与性能
• 3.1.1 预氧化纤维的组成
• 3.1.2 预氧化纤维的化学结构
• 3.1.3 预氧化纤维的骨架结构
• 3.1.4 预氧化纤维的性能
• 3.1.5 小结
• 3.2 预氧化纤维碳化处理过程中组成演变及脱除物质的分析
• 3.2.1 碳化处理过程对纤维组成的影响
• 3.2.2 预氧化纤维碳化处理过程中脱除物质的分析
• 3.2.3 小结
• 3.3 预氧化纤维碳化处理过程中结构与性能的演变
• 3.3.1 碳化温度对纤维结构与性能的影响
• 3.3.2 碳化处理时间对纤维结构与性能的影响
• 3.4 多环芳香结构平均层数与纤维性能的相关性
• 第四章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 研究成果及发表的学术论文
• 作者简介
• 导师简介
• 附件