電紡PAN纖維晶態(tài)結(jié)構(gòu)與預(yù)氧化纖維及碳纖維結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)性研究.pdf

1、PAN基電紡納米原絲是制備高性能碳納米纖維的重要前驅(qū)體。電紡原絲在濕熱飽和水蒸汽氛圍中牽伸時，分子鏈充分舒展，并沿纖維軸向緊密排列，使原絲的晶態(tài)結(jié)構(gòu)更加完善。不同晶態(tài)結(jié)構(gòu)原絲直接決定著碳納米纖維的宏觀性能。因此電紡原絲晶態(tài)結(jié)構(gòu)的形成和對后續(xù)預(yù)氧化纖維及碳纖維結(jié)構(gòu)的影響具有重要的研究意義。
　　采用前期實驗中探索得到的最優(yōu)靜電紡絲和蒸汽牽伸工藝制備得到連續(xù)且單向排列的電紡原絲，并通過調(diào)整初生納米纖維的蒸汽牽伸倍數(shù)得到一系列不同的電紡

2、原絲。表征了不同蒸汽牽伸原絲的表面形貌(SEM)、密度及晶態(tài)結(jié)構(gòu)參數(shù)(WASD)作為后續(xù)研究的基礎(chǔ)。同時以電紡碳纖維的結(jié)構(gòu)性能為評價標準，探索出了區(qū)別傳統(tǒng)預(yù)氧化工藝的短時高溫預(yù)氧化條件，并選用其中較好的預(yù)氧化工藝(240、260、274、280℃，每個溫區(qū)5min)。使用差示掃描量熱法(DSC)、紅外光譜分析(FT-IR)和元素分析考察了不同晶態(tài)結(jié)構(gòu)的納米原絲樣品的放熱特點及預(yù)氧化過程中的環(huán)化度、氧含量和密度變化。并將樣品制備得到碳納米

3、纖維通過廣角X射線衍射(WASD)、拉曼光譜及密度測試進行表征，討論其關(guān)聯(lián)性。
　　研究表明:(1)蒸汽牽伸能夠有效的降低直徑（最大降幅49.0％），減少初生纖維內(nèi)部孔洞，使原絲密度提高。WASD結(jié)果表明蒸汽牽伸工藝的施加有利于電紡纖維聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的改善，使電紡纖維的取向度(增幅61.4％)、結(jié)晶度（增幅84.3％）和晶粒尺寸（增幅215.0％）都有明顯提高。而在3.5倍牽伸的情況下，取向度有所下降，表現(xiàn)出過度牽伸的跡象。(2)探索

4、出短時高溫的預(yù)氧化工藝流程，相比傳統(tǒng)預(yù)氧化工藝時間縮短50％以上，其中較好的工藝條件為240、260、274、280℃，每個溫區(qū)均為5min。最終制備得到的碳納米纖維密度為1.7623g·cm-3。(3)不同結(jié)晶結(jié)構(gòu)納米原絲的DSC曲線表明，隨著原絲內(nèi)部晶態(tài)結(jié)構(gòu)的完善，預(yù)氧化過程終止溫度前移，放熱量增加，放熱峰更加尖銳。環(huán)化反應(yīng)中原絲內(nèi)規(guī)則有序的晶態(tài)結(jié)構(gòu)有利于耐熱梯形結(jié)構(gòu)的形成，最終實現(xiàn)較高的環(huán)化度。氧含量變化表現(xiàn)出受原絲晶態(tài)結(jié)構(gòu)和直徑