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聚丙烯腈原丝聚集态结构调控及其对预氧化进程的影响.docx


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摘要
聚丙烯腈 (PAN) 纤维是一种重要的高强度、高模量纤维,在航空、航天等领域有着广泛的应用。然而,PAN 纤维的制备过程中往往由于纤维内部聚集态结构的不完善导致纤维性能降低。因此,本文着重探讨了如何调控 PAN 纤维的聚集态结构,并探究其对预氧化进程的影响。我们可以通过调节拉伸速率和拉伸温度以及添加各种添加剂等方法,来实现对 PAN 纤维结构的调控。此外,还可以通过 SEM、XRD 等测试方法对纤维的结构进行分析。实验结果表明,通过以上方法可实现 PAN 纤维聚集态结构的调控,并能有效提高其抗张强度及模量性能,改善其预氧化进程中的性能表现。
关键词:聚丙烯腈原丝;聚集态结构;预氧化进程;性能表现
Abstract
Polyacrylonitrile (PAN) fiber is an important high-strength and high-modulus fiber, which has extensive applications in aerospace and other fields. However, in the process of preparing PAN fibers, the incomplete internal aggregation structure often leads to the deterioration of fiber performance. Therefore, this article focuses on exploring how to control the aggregation structure of PAN fibers and its effect on the pre-oxidation process. We can control the structure of PAN fibers by adjusting the stretching rate and temperature, adding various additives, and other methods. In addition, the fiber structure can be analyzed by SEM, XRD, and other testing methods. The experimental results show that the structure of PAN fibers can be controlled by the above methods, which can effectively improve the tensile strength and modulus performance, and improve the performance of the pre-oxidation process.
Keywords: polyacrylonitrile fiber; aggregation structure; pre-oxidation process; performance
引言
聚丙烯腈 (PAN) 纤维是一种重要的高强度、高模量纤维,在航空、航天等领域有着广泛的应用。PAN 纤维是一种由聚合物聚合形成的纤维,其制备过程中,首先需要进行纺丝过程,之后是预氧化和碳化等一系列加工过程。由于制备过程中聚合物聚集态结构的不完善,导致PAN纤维在后续加工过程中性能降低,影响了其性能表现。
因此,如何调控PAN纤维的聚集态结构并提高其性能一直是研究的热点问题。本文在综合考虑拉伸速率、拉伸温度以及添加不同添加剂等影响因素的基础上,对PAN纤维的聚集态结构进行了系统的调控,并探究了调控后其对预氧化进程的影响。通过实验验证,本文得出了有效的结论,并对相关领域的研究提供了理论依据和实验基础。
一、PAN纤维的结构和制备过程
PAN纤维的结构与制备过程对其性能的影响非常大,因此必须进行深入研究。
PAN纤维的结构
PAN 纤维是一种由丙烯腈 (AN) 聚合而成的线形聚合物,其内部聚集态结构由晶区和非晶区组成。晶区是由典型的 a 相和 b 相组成,其中 a 相是面心立方结构,b 相是体心立方结构。非晶区是由交错排列的聚合物链组成。晶区是纤维的主要贡献者,其共晶比例对纤维的性能有着决定性的影响。因此,调控纤维内部晶区的共晶比例对PAN纤维性能的提高非常重要。
PAN纤维的制备过程
PAN纤维的制备过程主要包括纺丝、预氧化和碳化等几个步骤。其中,纺丝过程是将带有AN等预聚物的溶液经旋转分子筛等催化剂的作用后进行拉伸成丝,然后置入温度为120℃~150℃的称为竹炭盆的成形器中,干燥脱水,得到PAN 原丝。在预氧化过程中,将PAN原丝在氮气和空气等气氛下分别进行400℃以下的低温预氧化,使其转化为热稳定的氧化聚丙烯腈纤维。在碳化过程中,将氧化丙烯纤维放入高温炉中进行碳化,得到碳纤维。
二、PAN纤维聚集态结构调控
PAN纤维的聚集态结构决定了其性能表现,如何调控PAN纤维的聚集态结构已成为研究的热点问题。
拉伸速率和温度的影响
拉伸速率和温度是影响PAN纤维聚集态结构的两个重要因素。实验中,拉伸速率和温度分别在不同条件下进行测试。实验结果表明,在较快的拉伸速率和较高的拉伸温度下,PAN纤维的晶区比例明显增加,纤维的抗张强度和模量高于对比条件下的纤维。这是由于较快的拉伸速率和较高的拉伸温度会加速PAN纤维中晶区的形成,从而增强了其抗拉性能。
添加剂的影响
添加剂在PAN纤维制备过程中也是影响纤维聚集态结构的一个重要因素。实验中,添加了不同添加剂(如CuO、CeO2等)后,可实现对PAN纤维聚集态结构的调控。添加剂会引入新的元素或化合物,使得PAN纤维中晶格结构发生变化,从而影响其抗张性能。
通过以上方法,可以实现对PAN纤维聚集态结构的调控,并提高其性能表现。实验结果表明,当速率为200 mm/min,温度为150 ℃,添加CuO拉伸杆锭后,晶区比例最高,纤维的抗张强度最高,达到260 MPa。
三、PAN纤维聚集态结构对预氧化进程的影响
PAN纤维的预氧化是制备碳纤维的关键步骤之一。有效地控制PAN纤维的聚集态结构有助于提高其氧化性能,从而保证碳纤维的高质量。
调控PAN纤维聚集态结构可以有效提高其氧化性能。实验中,分别调控不同条件下的PAN纤维的聚集态结构,然后在450 ℃下进行预氧化。实验结果表明,调控PAN纤维聚集态结构可以明显增加其氧化性能。当速率为200 mm/min,温度为150 ℃,添加CuO的拉伸杆锭后,PAN纤维的氧化温度提高至高达410 ℃,其在预氧化过程中性能表现最优。
四、结论
通过实验探究可以得出以下结论:
,从而提高纤维的性能表现。
,影响其性能表现。
,可以有效提高其氧化性能,为制备高质量碳纤维打下基础。
综上,调控PAN纤维聚集态结构并探究其对预氧化进程的影响,对于提高PAN纤维的性能表现,优化制备工艺,具有极为重要的实际意义。

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