聚丙烯腈纤维热应力与碳纤维结构及性能的关联性

  
       针对二元共聚聚丙烯腈(PAN)纤维的热应力和聚集态结构特点，借用差示扫描量热(DSC)分析、广角X射线衍射(WAXD)、红外光谱(F-TIR)等表征手段研究了预处理阶段(180℃)纤维热应力变化与最终碳纤维结构及性能的关联性。实验结果表明：对于取向度较高，但热应力较大的二元共聚PAN纤维，在180℃进行适当的应力松弛处理有利于最终碳纤维力学性能的提高。进一步的分析表明，随着预处理阶段纤维热应力的降低，PAN纤维内部准晶区的取向度逐渐下降，而纤维的环化反应活化能明显降低，相对环化率逐渐增大，相应碳纤维中类石墨晶体的层间距呈现先减小后增大的趋势，类石墨晶体的堆叠厚度则是先增大后减小；与之对应的碳纤维的拉伸强度以及拉伸模量也呈现出先增大后减小的趋势。综合研究结果表明：对二元共聚PAN纤维进行适当的热应力松弛处理可有效改善最终的碳纤维结构参数，提高其力学性能。

      预氧化阶段是制取碳纤维过程中的重要步骤，其关键是尽可能保持原丝碳链骨架的取向性并得到较佳预氧化程度且结构缺陷尽可能少的预氧化纤维，而保持原丝碳链骨架的取向性则需要抑制纤维在预氧化阶段的热收缩行为。相应出现的物理和化学应力峰得到了广泛研究，有学者系统研究了不同原丝预氧化阶段热应力的变化与预氧化反应的关联，指出可以通过控制化学应力峰的变化进而得到力学性能理想的碳纤维；物理应力峰的大小除了与PAN原丝本身分子链的取向度有关外，还与其在预氧化低温阶段所受的外力有关。Lian等指出，180℃下适当的牵伸处理能得到力学性能更优异的碳纤维，而过高的牵伸则可能使PAN分子链断裂，导致碳纤维的力学性能下降。Bahl和Mathur[8]则认为在低温预氧化阶段纤维适当地收缩更有利于预氧化反应的进行。可见，前人对PAN纤维的热收缩行为进行了大量的系统研究，但由于上述研究所用原丝内应力的差别导致得出了一些不同甚至相反的结论，因此，针对PAN原丝本身的特点继续深入研究PAN纤维的收缩行为和最终碳纤维结构与性能的关联仍然十分重要。


 聚丙烯腈纤维热应力与碳纤维结构及性能的关联性.zip