干喷湿纺聚丙烯腈纤维微结构研究

论文摘要

优质的聚丙烯腈（PAN）原丝是生产高性能碳纤维的前提,而初生纤维的致密性则是决定原丝质量的关键。研究PAN初生纤维与原丝的结构,了解它们的内在联系,对改善PAN初生纤维的致密性和提高原丝的质量具有重要的理论指导意义。本文研究的对象为PAN初生纤维和原丝,它们均采用干喷湿法工艺制备。利用高分辨透射电镜（HRTEM）、扫描电镜（SEM）对纤维样品的形貌进行观察分析,利用X射线衍射仪（XRD）、傅立叶红外光谱仪（FTIR）、全自动快速比表面积及介孔/微孔分析仪（ASAP2020）等测试分析技术对纤维的结构进行表征。研究了干燥处理方式对PAN初生纤维结构与性能的影响;研究了空气层高度和凝固浴牵伸对初生纤维结构的影响;利用超薄切片技术研究了纤维的微结构;利用皮芯分离、超声刻蚀和溶剂刻蚀法研究了 PAN原丝的原纤结构,建立纤维模型。PAN初生纤维是从第一凝固浴收取的凝固丝条,里面含有一定的溶剂,而表征纤维结构的测试仪器要求样品干燥。因此需要对纤维进行干燥处理。本文分别利用丙酮、乙醇和水对PAN初生纤维进行浸泡、清洗、干燥,并利用冷冻干燥法制备干燥样品,研究了不同溶剂处理和冷冻干燥对PAN初生纤维的结构与性能的影响。不同溶剂处理后干燥和冷冻干燥后的纤维表面均较光滑,利用丙酮、乙醇处理后的纤维和冷冻干燥的纤维断面比较疏松。初生纤维内部存在孔隙结构,孔径分布主要集中于微孔和介孔,经过不同溶剂处理后纤维的结晶结构和官能团结构没有发生变化。PAN初生纤维的断裂属于韧性断裂,在拉伸起始阶段,纤维的应力-应变曲线符合虎克定律,随着时间的延长,纤维在较小的拉力作用下发生了较大的形变。研究了空气层高度和凝固浴牵伸对PAN初生纤维结构的影响。干喷湿纺PAN初生纤维的表面较光滑。空气层高度为3mm和5mm的PAN初生纤维的断面内部有明显的三维网络结构,这是PAN分子链相互缠绕形成的网络骨架。空气层高度为8mm和10mm的纤维断面出现均匀分布的点状结构。随着牵伸比的增大,初生纤维的直径和纤度减小,膨润度降低。利用环氧树脂对不同牵伸比的初生纤维样品进行包埋,获得包埋块。采用超薄切片技术制备PAN初生纤维超薄纵切片,切片厚度约为70nm。以DMSO溶液为刻蚀溶剂,对纤维切片进行溶解刻蚀,利用HRTEM对PAN初生纤维切片刻蚀前后的微观形貌进行表征。1.8和2.5牵伸下的初生纤维切片内部出现无取向分布的三维网络结构,牵伸比为3.2、3.8和4.5的纤维切片内部出现垂直于纤维轴紧密排列的片层结构,该结构的厚度随着牵伸比的增大而减小。在DMSO溶液中进行刻蚀后发现,1.8和2.5牵伸下的纤维切片内部出现微原纤,牵伸比为3.2、3.8和4.5的纤维切片内部均出现明显的微原纤网络结构。以干喷湿纺的PAN原丝为研究对象,利用皮芯分离、超声刻蚀和溶剂刻蚀超薄切片三种方法对PAN原丝进行原纤分离处理,实现原丝的原纤化。火棉胶剥离原丝皮层过程中成功的剥离出原纤,原纤直径在200-400nm之间,原纤之间由非晶组织连接。原丝切片经刻蚀后,出现原纤,原纤的直径在80-200nm之间。原丝内部有微原纤存在,微原纤的直径在20-40nm之间。原纤由微原纤组成。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
•   1.1 引言
•   1.2 碳纤维的分类
•   1.3 PAN基碳纤维发展历程
•   1.4 PAN基碳纤维的制备工艺
•     1.4.1 PAN纺丝原液的制备
•     1.4.2 PAN原丝的纺丝工艺
•     1.4.3 PAN原丝的预氧化和碳化
•   1.5 PAN初生纤维的成形过程与原纤结构的研究现状
•     1.5.1 PAN初生纤维的成形
•     1.5.2 PAN初生纤维的研究现状
•     1.5.3 PAN纤维中原纤结构的研究
•   1.6 本文的研究意义和内容
• 第二章 实验材料与实验方法
•   2.1 技术路线
•   2.2 研究方法
•   2.3 实验所用材料和仪器设备
•     2.3.1 实验所用材料
•     2.3.2 实验所用仪器设备
•   2.4 PAN纤维的制备
•     2.4.1 PAN纺丝原液的制备
•     2.4.2 PAN纤维的制备
•   2.5 PAN纤维超薄切片的制备
•     2.5.1 PAN纤维样品的包埋
•     2.5.2 PAN纤维超薄切片的制备
•   2.6 测试与表征方法
•     2.6.1 PAN纺丝原液固含量的测试
•     2.6.2 PAN初生纤维膨润度的测试
•     2.6.3 PAN初生纤维纤度的测试
•     2.6.4 PAN纤维结晶性能的测试
•     2.6.5 PAN初生纤维的红外表征测试
•     2.6.6 PAN纤维的SEM表征
•     2.6.7 PAN纤维的HRTEM表征
•     2.6.8 PAN纤维的比表面积和孔径分布测定
•     2.6.9 PAN初生纤维力学性能的测试
• 第三章 干燥方式对PAN初生纤维结构与性能的影响
•   3.1 前言
•   3.2 PAN初生纤维干燥样品的制备
•     3.2.1 样品处理
•     3.2.2 冷冻干燥
•   3.3 PAN初生纤维的形貌表征
•     3.3.1 PAN初生纤维的表面形貌
•     3.3.2 PAN初生纤维的断面形貌
•   3.4 PAN初生纤维的结晶性能
•   3.5 PAN初生纤维的官能团结构
•   3.6 PAN初生纤维的孔结构
•   3.7 PAN初生纤维的力学性能
•   3.8 本章小结
• 第四章 凝固浴参数对PAN初生纤维结构的影响
•   4.1 前言
•   4.2 干喷湿纺PAN初生纤维的成形
•   4.3 空气层高度对PAN初生纤维结构的影响
•     4.3.1 不同空气层高度对PAN初生纤维表面形貌的影响
•     4.3.2 不同空气层高度对PAN初生纤维断面形貌的影响
•     4.3.3 不同空气层高度对PAN初生纤维纤度的影响
•     4.3.4 不同空气层高度对PAN初生纤维膨润度的影响
•     4.3.5 不同空气层高度对PAN初生纤维的结晶性能的影响
•   4.4 凝固浴牵伸对PAN初生纤维结构的影响
•     4.4.1 不同牵伸比对PAN初生纤维表面形貌的影响
•     4.4.2 不同牵伸比对PAN初生纤维断面形貌的影响
•     4.4.3 不同牵伸比对PAN初生纤维纤度的影响
•     4.4.4 不同牵伸比对PAN初生纤维膨润度的影响
•     4.4.5 不同牵伸比对PAN初生纤维结晶结构的影响
•   4.5 超薄切片在PAN初生纤维微结构研究中的应用
•     4.5.1 PAN初生纤维切片的制备
•     4.5.2 PAN初生纤维超薄切片的微观形貌表征
•   4.6 溶剂刻蚀对PAN初生纤维结构的影响
•     4.6.1 PAN初生纤维超薄切片的溶剂刻蚀
•     4.6.2 溶剂刻蚀对PAN初生纤维结构的影响
•   4.7 本章小结
• 第五章 PAN原丝的原纤分离及其微结构研究
•   5.1 前言
•   5.2 PAN原丝的原纤分离处理
•     5.2.1 PAN原丝的皮芯分离
•     5.2.2 PAN原丝的超声刻蚀
•     5.2.3 PAN原丝切片的溶剂刻蚀
•   5.3 PAN原丝的微结构
•     5.3.1 皮芯分离对PAN原丝形貌的影响
•     5.3.2 超声刻蚀对PAN原丝形貌的影响
•     5.3.3 超声刻蚀对PAN原丝结晶性能的影响
•     5.3.4 超声刻蚀对PAN原丝孔结构的影响
•     5.3.5 溶剂刻蚀对PAN原丝切片形貌的影响
•   5.4 PAN原丝的结构模型
•   5.5 PAN初生纤维的微原纤结构与原丝原纤结构的关系
•   5.6 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 参与的科研项目
• 学位论文评阅及答辩情况表

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 陈美玲

导师: 王成国

关键词: 初生纤维,超薄切片,原纤,微原纤,三维网络

来源: 山东大学

年度: 2019

分类: 工程科技Ⅰ辑

专业: 有机化工

单位: 山东大学

基金: 国家自然科学基金(51773110):干喷湿纺聚丙烯腈初生纤维的微原纤结构形成及其致密化机理研究,国家自然科学基金(51573087):连续化碳纤维表面催化生长碳纳米管在线可控机理研究,山东省自然基金

分类号: TQ342.3

总页数: 97

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