论文部分内容阅读
在纤维行业激烈竞争的市场中，聚丙烯腈（PAN）纤维在服用领域的用量逐渐萎缩，但其独特的结构性能决定了其在某些产业用领域不可替代的地位。为此，我们针对已经产业化的不同工艺路线制备的聚丙烯腈纤维，在分析其结构性能的基础上，模拟其应用于沥青、水泥等工程材料时的使用条件，研究了不同纤维在应用条件下的结构性能变化，为合理确定聚丙烯腈纤维的产业化应用领域提供依据。首先通过红外光谱（FT-IR）、核磁共振氢谱（1H-NMR）、元素分析、分子量测试对不同工艺路线制备的PAN纤维的化学结构进行了表征，利用同步辐射的广角X射线散射（WAXS）分析了不同工艺路线制备的PAN纤维的超分子结构，明确了不同公司所提供的PAN纤维的结构性能差异。在结构性能分析的基础上，选择了3种有代表性的PAN纤维样品，研究了3种纤维热处理后的结构和性能变化。这3种纤维的制备工艺路线分别是：以二甲基亚砜为溶剂湿法纺丝制备的PAN碳纤维原丝（Wet-DMSO）、以二甲基甲酰胺为溶剂干法纺丝制备的常规PAN纤维（Dry-DMF）、以二甲基乙酰胺为溶剂湿法纺丝制备的常规PAN纤维（Wet-DMAc）。对比其他两种工艺的PAN纤维，尽管Wet-DMSO在室温下具有高强度、高模量的力学特性，但其在150℃的温度下即开始发生热氧降解。随热处理温度的提高，3种PAN纤维结晶度和晶粒尺寸呈现先增加后降低的变化。相同热处理条件下，Wet-DMSO的晶区取向因子大大减小，而其他2组样品变化不大，同时Wet-DMSO的强度保持率也最低。不同温度下的动态蠕变实验表明，Wet-DMSO在30-100℃的温度下抗蠕变能力较Dry-DMF和Wet-DMAc强，但是当温度升高至200℃时其抗蠕变能力反而变的最低。热机械分析（TMA）实验表明，在热处理过程中样品Wet-DMSO的内部收缩应力增长最快，导致其在相同条件下热收缩率也最高。这说明，尽管作为碳纤维原丝的样品Wet-DMSO在强度和模量上都更接近于沥青增强用纤维的要求，但因其易发生热氧化而并不适合用于沥青增强。同时，模拟水泥增强用纤维的碱性条件，研究了这3种PAN纤维在碱处理过程中的结构和性能变化。参照国标（GBT21120-2007）设计了耐碱性实验，并对样品的结构性能进行表征。FT-IR测试显示在碱性介质的作用下3组样品均出现一定程度的水解，WAXS分析表明3组样品在碱性条件下结晶度、晶粒尺寸、晶区取向因子均出现一定程度的下降。分析认为这与PAN纤维中共聚物的含量以及纤维的致密性有关，一方面分子链上含酯基共聚单体使分子链堆砌较松散，使得氰基易受碱溶液中OH-的进攻；另一方面，纤维的高结晶度、取向度使得碱溶液不易进入和腐蚀纤维芯层。因而共聚单体含量最低，结晶度、取向度最高的样品Wet-DMSO耐碱腐蚀能力最好，强力保持率明显高于Dry-DMF和Wet-DMAc，且碱处理后Wet-DMSO在蠕变过程中产生的塑形形变最小。根据3种纤维的耐碱性特点，认为样品Wet-DMSO有用作水泥增强材料的潜力。