聚丙烯腈基纤维和沥青基纤维微波预氧化研究

刘建华

（昆明理工大学，云南 昆明 650093）

碳纤维 （Carbon fiber）是一种含碳量在90%以上的无机高分子材料，高性能碳纤维是制造先进复合材料最重要的增强材料，是发展国防军工与国民经济的重要战略资源，是我国 “十三五规划”重点发展的新型结构材料［4-6］。工业生产碳纤维按所用原料主要分为聚丙烯腈 （PAN）（C3H3N）n基碳纤维和沥青 （C124H80O11）n基碳纤维［7］。

PAN基碳纤维的制备需经历纺丝、预氧化和碳化三个主要工艺过程［8］。预氧化又称氧化稳定化，该过程耗时长，工艺繁琐，对碳纤维的性能具有重要影响，因而是整个制备过程最关键的一步。影响预氧化程度的主要工艺因素包括时间、温度、牵伸等［9］。选择最优的预氧化工艺，能在短时间获得性能优良的预氧丝，为后期碳化做好准备。然而，不恰当的预氧化工艺会造成预氧化不足或过度，容易形成 “皮芯”结构，影响碳化过程，最终得到的纤维产生结构缺陷，降低其性能［10］。

本文采用微波加热预氧化替代常规加热预氧化，并且对比了聚丙烯腈 （PAN）（C3H3N）n基碳纤维和沥青 （C124H80O11）n基碳纤维微波预氧化过程中化学结构和晶体结构的差异，为高性能碳纤维的开发提供的新的思路。

1 实验

聚丙烯腈 （PAN）（C3H3N）n基碳纤维和沥青（C124H80O11）n基碳纤维分别命名为Y1和Y2。微波炉频率为2.5 GHz。实验在960 W下进行。基于温度上升曲线计算加热速率为2℃／min。第一温区的温度为180℃，依次为20℃，第五温区的温度为260℃。

2 结果与讨论

2.1 FTIR分析

原丝2（Y2）在相同温区下，吸收峰比原丝低，说明预氧化程度要低于原丝1（Y1）。

图1 纤维的FT-IR光谱

在不同温度区域获得的两种原丝所得预氧丝的EOR曲线如图2所示。两种PAN原丝的EOR为0.3。从温度区一到温度区五，EOR逐渐增加，但增加趋势减缓，最终接近0.7。原丝1在相同温区的EOR值较高，氧化稳定性高。

图2 两种原丝不同温区EOR值

2.2 XRD分析

两种原丝在微波加热下，所得预氧丝的XRD图如3所示。PAN原丝在2θ＝17°和29°处有两个峰，代表 （100）和 （110）晶面。随着氧化程度的增加，2θ＝17°和29°的峰逐渐减弱直至消失。最后，预氧丝仅在2θ＝25.5°处有峰。（002）晶面是预石墨结构，2θ＝25.5°峰越强，石墨结构越紧密，氧化稳定化程度越高。相同温区下，原丝1所得预氧丝的峰值要低于原丝2，说明原丝1在相同条件下，预氧化程度更高。

图3 纤维的XRD图谱

在2θ＝17°和2θ＝29°时，原丝1的D值高于原丝2。在所得预氧丝中，2θ＝17°时，原丝1所得预氧丝的D值大于原丝2，2θ＝29°时，原丝1所得预氧丝的D值小于原丝2。层间距d的值约为0.5和0.3，没有显着差异。根据XRD结果计算的预氧丝的晶体参数见表1。

表1 预氧丝的晶体参数

表1（续）

3 结论

对两种原丝进行微波预氧化，研究发现，中聚丙烯腈基纤维的牵伸要小于沥青基纤维的牵伸，并且相同温区下，聚丙烯腈基纤维微波预氧化所得预氧丝的预氧化程度要高于沥青基纤维微波预氧化所得预氧丝的预氧化程度。