聚丙烯腈基纤维和沥青基纤维微波预氧化研究

2021-01-11刘建华

云南化工 2020年12期

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。