聚丙烯腈基纖維和瀝青基纖維微波預(yù)氧化研究

劉建華

（昆明理工大學(xué)，云南 昆明 650093）

碳纖維 （Carbon fiber）是一種含碳量在90%以上的無(wú)機(jī)高分子材料，高性能碳纖維是制造先進(jìn)復(fù)合材料最重要的增強(qiáng)材料，是發(fā)展國(guó)防軍工與國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要戰(zhàn)略資源，是我國(guó) “十三五規(guī)劃”重點(diǎn)發(fā)展的新型結(jié)構(gòu)材料［4-6］。工業(yè)生產(chǎn)碳纖維按所用原料主要分為聚丙烯腈 （PAN）（C3H3N）n基碳纖維和瀝青 （C124H80O11）n基碳纖維［7］。

PAN基碳纖維的制備需經(jīng)歷紡絲、預(yù)氧化和碳化三個(gè)主要工藝過(guò)程［8］。預(yù)氧化又稱氧化穩(wěn)定化，該過(guò)程耗時(shí)長(zhǎng)，工藝繁瑣，對(duì)碳纖維的性能具有重要影響，因而是整個(gè)制備過(guò)程最關(guān)鍵的一步。影響預(yù)氧化程度的主要工藝因素包括時(shí)間、溫度、牽伸等［9］。選擇最優(yōu)的預(yù)氧化工藝，能在短時(shí)間獲得性能優(yōu)良的預(yù)氧絲，為后期碳化做好準(zhǔn)備。然而，不恰當(dāng)?shù)念A(yù)氧化工藝會(huì)造成預(yù)氧化不足或過(guò)度，容易形成 “皮芯”結(jié)構(gòu)，影響碳化過(guò)程，最終得到的纖維產(chǎn)生結(jié)構(gòu)缺陷，降低其性能［10］。

本文采用微波加熱預(yù)氧化替代常規(guī)加熱預(yù)氧化，并且對(duì)比了聚丙烯腈 （PAN）（C3H3N）n基碳纖維和瀝青 （C124H80O11）n基碳纖維微波預(yù)氧化過(guò)程中化學(xué)結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)的差異，為高性能碳纖維的開(kāi)發(fā)提供的新的思路。

1 實(shí)驗(yàn)

聚丙烯腈 （PAN）（C3H3N）n基碳纖維和瀝青（C124H80O11）n基碳纖維分別命名為Y1和Y2。微波爐頻率為2.5 GHz。實(shí)驗(yàn)在960 W下進(jìn)行。基于溫度上升曲線計(jì)算加熱速率為2℃／min。第一溫區(qū)的溫度為180℃，依次為20℃，第五溫區(qū)的溫度為260℃。

2 結(jié)果與討論

2.1 FTIR分析

原絲2（Y2）在相同溫區(qū)下，吸收峰比原絲低，說(shuō)明預(yù)氧化程度要低于原絲1（Y1）。

圖1 纖維的FT-IR光譜

在不同溫度區(qū)域獲得的兩種原絲所得預(yù)氧絲的EOR曲線如圖2所示。兩種PAN原絲的EOR為0.3。從溫度區(qū)一到溫度區(qū)五，EOR逐漸增加，但增加趨勢(shì)減緩，最終接近0.7。原絲1在相同溫區(qū)的EOR值較高，氧化穩(wěn)定性高。

圖2 兩種原絲不同溫區(qū)EOR值

2.2 XRD分析

兩種原絲在微波加熱下，所得預(yù)氧絲的XRD圖如3所示。PAN原絲在2θ＝17°和29°處有兩個(gè)峰，代表 （100）和 （110）晶面。隨著氧化程度的增加，2θ＝17°和29°的峰逐漸減弱直至消失。最后，預(yù)氧絲僅在2θ＝25.5°處有峰。（002）晶面是預(yù)石墨結(jié)構(gòu)，2θ＝25.5°峰越強(qiáng)，石墨結(jié)構(gòu)越緊密，氧化穩(wěn)定化程度越高。相同溫區(qū)下，原絲1所得預(yù)氧絲的峰值要低于原絲2，說(shuō)明原絲1在相同條件下，預(yù)氧化程度更高。

圖3 纖維的XRD圖譜

在2θ＝17°和2θ＝29°時(shí)，原絲1的D值高于原絲2。在所得預(yù)氧絲中，2θ＝17°時(shí)，原絲1所得預(yù)氧絲的D值大于原絲2，2θ＝29°時(shí)，原絲1所得預(yù)氧絲的D值小于原絲2。層間距d的值約為0.5和0.3，沒(méi)有顯著差異。根據(jù)XRD結(jié)果計(jì)算的預(yù)氧絲的晶體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 預(yù)氧絲的晶體參數(shù)

表1（續(xù)）

3 結(jié)論

對(duì)兩種原絲進(jìn)行微波預(yù)氧化，研究發(fā)現(xiàn)，中聚丙烯腈基纖維的牽伸要小于瀝青基纖維的牽伸，并且相同溫區(qū)下，聚丙烯腈基纖維微波預(yù)氧化所得預(yù)氧絲的預(yù)氧化程度要高于瀝青基纖維微波預(yù)氧化所得預(yù)氧絲的預(yù)氧化程度。