沸水处理PAN原丝对其结构的影响

张 洋（中国石油吉林石化公司 碳纤维厂,吉林 吉林 132000）



沸水处理PAN原丝对其结构的影响

张 洋（中国石油吉林石化公司 碳纤维厂,吉林 吉林 132000）

摘 要:碳纤维作为高性能的纤维，既具有纤维的柔软特性，又具有碳材料的坚硬特性，所以碳纤维在实际中的应用比较广泛，在国防、军事及体育方面都有应用。然而，碳纤维的材料脆性很大，抗拉的强度和聚丙烯腈原丝（PAN原丝）的性能有着密切的关系。本文通过将中国石油吉林化公司自制的PAN原丝与其它厂家PAN原丝经过沸水处理后对原丝结构进行对比分析，得出相关结论。

关键词：聚丙烯腈原丝；沸水处理；结构

0 前言

碳纤维可采用PAN 纤维、沥青纤维、粘胶纤维或木质素纤维等经过氧化、低温碳化、高温碳化而制成。高品质的PAN是制备优质碳纤维的关键，因此对于PAN的研究也得到了迅速发展。

1 实验原料与仪器

（1）选取三种规格相同原丝分别为：吉林神舟碳纤维公司产的国产原丝、日本东丽原丝、中国石油吉化公司自制原丝，记为原丝A、B、C。

（2）热收缩测试仪:吉林大学生产XH一1纤维热收缩测试仪

2 实验结果与分析

表1　吉林化纤、日本旭化、吉林石化三种不同PAN原丝沸水收缩率

对于原丝的沸水收缩，我们可以采取两种测试方法。第一种方法是让原丝自然伸展，不对其施加外力作用，在沸水中浸泡20分钟；另一种方法是：对原丝施加额外张力，并且保持张力不变，在沸水中浸泡20分钟。运用两种方法得到的结果截然不同。第一种方法作用下，原丝在沸水中可以不受拘束的收缩，水分也可以完全浸入到原丝中，使得原丝的可塑性增强，分子链运动的活动加剧。第二种方法作用下，原丝被外力固定住，水分不能完全浸入到原丝中间，分子链的运动也不剧烈。所以松弛状态下的沸水收缩率要大于定长状态下的沸水收缩率。从表中还可以看出，相同强度原丝中，无论松弛还是定长状态下，原丝C的沸水收缩率最低。

如表2所示，经过沸水处理后晶粒的尺寸有增加，沸水的温度是100摄氏度，达不到PAN的熔点，所以PAN内部的分子链段的运动不明显，晶粒的增大和熔融的速度都比较缓慢，非晶区链段的运动使晶区边缘不整齐，微晶尺寸也就稍有减小。通过实验发现原丝承受外力后浸入沸水中，晶粒的尺寸比其自然伸展时的晶粒尺寸稍大，这是由于在自然伸展的状态下，分子链段运动的阻力相对比较小，分子链段之间可以进行重叠蜷曲，所以不受外力情况下的原丝微晶尺寸稍微小一些。结晶度与PAN原丝强度成正相关，这是因为结晶结构中的分子链排列整齐紧凑，分子内和分子间的相互作用力充分，不容易被破坏，原丝强度大。无论以何种状态浸入沸水中，都破坏了结晶度，使原丝强度降低，不受外力的松弛状态下更加明显。从表中还可以看出，相同强度的原丝，C的结晶度和晶粒尺寸最大，经过沸水处理后，C原丝的结晶度和晶粒尺寸也比其它两种原丝稍大。

从表3可知，经过沸水处理后的原丝密度也会发生变化，三种原丝密度都成降低趋势。原因是沸水处理原丝后，链段之间的联系不再紧密，原本伸直的链段变得蜷曲了，从而导致非晶区中的链段更加无序，链段与链段之间的空间变大，使得原丝体积变大，密度变小。经过沸水处理后，原丝C的密度较其它两种原丝小。

表2　吉林化纤、日本旭化、吉林石化三种原丝的晶体结构参数

表3　处理前后吉林化纤、日本旭化、吉林石化三种原丝的体密度

3 结论

（1）通过沸水处理后纤维的强度都减小，原丝断裂伸长率较高，松弛状态下进行沸水热处理的原丝的强度要大一些。

（2）中国石油吉化公司自制的PAN原丝结构性能要优于吉林神舟和日本东丽的原丝。

DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.02.034