聚丙烯腈纖維熱應力與碳纖維結構及性能的關聯性

  
       針對二元共聚聚丙烯腈(PAN)纖維的熱應力和聚集態結構特點，借用差示掃描量熱(DSC)分析、廣角X射線衍射(WAXD)、紅外光譜(F-TIR)等表征手段研究了預處理階段(180℃)纖維熱應力變化與最終碳纖維結構及性能的關聯性。實驗結果表明：對于取向度較高，但熱應力較大的二元共聚PAN纖維，在180℃進行適當的應力松弛處理有利于最終碳纖維力學性能的提高。進一步的分析表明，隨著預處理階段纖維熱應力的降低，PAN纖維內部準晶區的取向度逐漸下降，而纖維的環化反應活化能明顯降低，相對環化率逐漸增大，相應碳纖維中類石墨晶體的層間距呈現先減小后增大的趨勢，類石墨晶體的堆疊厚度則是先增大后減小；與之對應的碳纖維的拉伸強度以及拉伸模量也呈現出先增大后減小的趨勢。綜合研究結果表明：對二元共聚PAN纖維進行適當的熱應力松弛處理可有效改善最終的碳纖維結構參數，提高其力學性能。

      預氧化階段是制取碳纖維過程中的重要步驟，其關鍵是盡可能保持原絲碳鏈骨架的取向性并得到較佳預氧化程度且結構缺陷盡可能少的預氧化纖維，而保持原絲碳鏈骨架的取向性則需要抑制纖維在預氧化階段的熱收縮行為。相應出現的物理和化學應力峰得到了廣泛研究，有學者系統研究了不同原絲預氧化階段熱應力的變化與預氧化反應的關聯，指出可以通過控制化學應力峰的變化進而得到力學性能理想的碳纖維；物理應力峰的大小除了與PAN原絲本身分子鏈的取向度有關外，還與其在預氧化低溫階段所受的外力有關。Lian等指出，180℃下適當的牽伸處理能得到力學性能更優異的碳纖維，而過高的牽伸則可能使PAN分子鏈斷裂，導致碳纖維的力學性能下降。Bahl和Mathur[8]則認為在低溫預氧化階段纖維適當地收縮更有利于預氧化反應的進行。可見，前人對PAN纖維的熱收縮行為進行了大量的系統研究，但由于上述研究所用原絲內應力的差別導致得出了一些不同甚至相反的結論，因此，針對PAN原絲本身的特點繼續深入研究PAN纖維的收縮行為和最終碳纖維結構與性能的關聯仍然十分重要。


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