凝固浴条件对PAN纤维结构及性能的影响[1]VIP免费

©1994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.net第23卷第2期高分子材料科学与工程Vol.23,No.22007年3月POLYMERMATERIALSSCIENCEANDENGINEERINGMar.2007凝固浴条件对PAN纤维结构及性能的影响Ξ董兴广,王成国,曹伟伟,陈娟(山东大学材料学院碳纤维中心,山东济南250061)摘要:利用元素分析仪、X射线衍射仪、电子探针等手段,研究了温度、浓度等凝固浴参数对聚丙烯腈初生纤维及最终原丝结构和性能的影响,得到了湿法纺丝中制备高性能原丝的最优凝固工艺条件。结果表明:凝固浴温度60℃、浓度65%条件下,初生纤维及PAN原丝的晶粒尺寸最小、结晶度最高,初生纤维残留溶剂的含量较低、横截面形状近似圆形。关键词:炭纤维;凝固浴;湿法纺丝中图分类号:TQ342+3文献标识码:A文章编号:100027555(2007)0220170205炭纤维具有高比强度、高比模量、导电、导热、抗辐射等一系列优异性能,广泛应用于航空航天、国防军事等尖端领域以及高级体育用品、医疗器械等民用行业。而聚丙烯腈纤维由于具有高分子取向、较高的熔点以及较高的炭纤维产率,被认为是当今制造炭纤维最重要、最有发展前途的原丝。目前,我国炭纤维工业发展迟缓,产品的质量和产量均不能满足国民经济发展的需要。究其原因,聚丙烯腈原丝质量不过关是制约我国炭纤维工业发展的瓶颈。优良的原丝性能是生产优质炭纤维最重要的条件,而初生纤维作为PAN原丝纺丝工艺的第一步,其品质的优劣直接影响到原丝及炭纤维的最终性能[1,2]。本文在研究制备高性能炭纤维用PAN原丝的基础上,着重从凝固工艺条件变化与初生纤维结构和性能的关系出发,探寻湿法纺丝的最佳凝固工艺。1实验部分1.1实验原料采用实验室自制的初生纤维及PAN原丝,凝固浴采用二甲基亚砜的水溶液。1.2初生纤维及PAN原丝结晶度及晶粒尺寸测定对不同凝固浴温度、浓度下制得的初生纤维及PAN原丝采用日本RigakuD�max2RA型X射线衍射仪测定初生纤维的结晶度及晶粒尺寸。X射线衍射仪采用CuKΑ辐射,Ni滤波,管电压为40kV,管电流为40mA,扫描范围2Η处于5°～50°之间。1.3初生纤维S元素含量的测定取不同凝固浴温度、浓度下的初生纤维,迅速置于102型恒温干燥箱内进行30℃低温干燥处理,然后采用德国VARIOEL�型元素分析仪测定其中S元素的含量。1.4初生纤维截面的观察采用JXA-8800R电子探针对初生纤维进行纵横截面的观察,电压20kV,电流1.0×10-10A。1.5PAN原丝纤度及强度测试对不同凝固浴温度、浓度下制得的PAN原丝,利用XD21型纤维细度仪、XQ21型纤维强度仪测定PAN纤维的纤度及强力,计算纤维的强度。2结果与讨论2.1凝固浴条件对初生纤维及PAN原丝结晶Ξ收稿日期:2006201203;修订日期:2006205210基金项目:国家十五期间863项目(2002AA304130)联系人:董兴广,主要从事炭纤维用聚丙烯腈原丝的研究,E2mail:dxgdongdong@mailsdu.edu.cn©1994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.net度和晶粒尺寸的影响Fig.1、Fig.2为不同凝固浴浓度下初生纤维及相应PAN原丝的X射线衍射图,其中1、2、3分别代表凝固浴温度60℃,浓度60%、65%、70%。分析Fig.2可以发现,PAN原丝衍射强度最强峰出现在2Η=17°左右,属(100)衍射峰;而另一个较弱的衍射峰(110)在2Η=29.5°左右出现。这种典型的衍射特征代表了该PAN纤维具有完整性不佳的准晶区和相当侧序的非晶区,不具有完整的整体有序取向。分别利用峰面积法和半高宽法计算凝固浴浓度为60%、65%及70%情况下的结晶度及晶粒尺寸,如Tab.1所示。实验结果可见,结晶度较高的初生纤维有利于形成结晶度较高的PAN原丝,凝固浴浓度为65%时有利于得到细晶粒、高结晶度的初生纤维及PAN原丝。即凝固浴在较高的浓度范围(60%～70%)内,随着浓度的降低,凝固速度增加,凝固层厚度增加,使丝条的结晶度增加。而当凝固浴浓度低于某一定值(约65%)时,随着凝固浴浓度的继续降低,丝条内外溶剂浓度梯度不断增大,凝固速度加快,易在表面形成阻碍溶剂继续扩散的硬皮层,从而降低了丝条的结晶度。Fig.3、Fig.4为不同凝固浴温度下初生纤维及相应PAN原丝的X射线衍射图,其中1、2分别代表凝固浴浓度65%,温度50℃、60℃。Tab.2显...