聚丙烯腈基纖維和瀝青基纖維微波預氧化研究

劉建華

（昆明理工大學，云南 昆明 650093）

碳纖維 （Carbon fiber）是一種含碳量在90%以上的無機高分子材料，高性能碳纖維是制造先進復合材料最重要的增強材料，是發展國防軍工與國民經濟的重要戰略資源，是我國 “十三五規劃”重點發展的新型結構材料［4-6］。工業生產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歷紡絲、預氧化和碳化三個主要工藝過程［8］。預氧化又稱氧化穩定化，該過程耗時長，工藝繁瑣，對碳纖維的性能具有重要影響，因而是整個制備過程最關鍵的一步。影響預氧化程度的主要工藝因素包括時間、溫度、牽伸等［9］。選擇最優的預氧化工藝，能在短時間獲得性能優良的預氧絲，為后期碳化做好準備。然而，不恰當的預氧化工藝會造成預氧化不足或過度，容易形成 “皮芯”結構，影響碳化過程，最終得到的纖維產生結構缺陷，降低其性能［10］。

本文采用微波加熱預氧化替代常規加熱預氧化，并且對比了聚丙烯腈 （PAN）（C3H3N）n基碳纖維和瀝青 （C124H80O11）n基碳纖維微波預氧化過程中化學結構和晶體結構的差異，為高性能碳纖維的開發提供的新的思路。

1 實驗

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。實驗在960 W下進行。基于溫度上升曲線計算加熱速率為2℃／min。第一溫區的溫度為180℃，依次為20℃，第五溫區的溫度為260℃。

2 結果與討論

2.1 FTIR分析

原絲2（Y2）在相同溫區下，吸收峰比原絲低，說明預氧化程度要低于原絲1（Y1）。

圖1 纖維的FT-IR光譜

在不同溫度區域獲得的兩種原絲所得預氧絲的EOR曲線如圖2所示。兩種PAN原絲的EOR為0.3。從溫度區一到溫度區五，EOR逐漸增加，但增加趨勢減緩，最終接近0.7。原絲1在相同溫區的EOR值較高，氧化穩定性高。

圖2 兩種原絲不同溫區EOR值

2.2 XRD分析

兩種原絲在微波加熱下，所得預氧絲的XRD圖如3所示。PAN原絲在2θ＝17°和29°處有兩個峰，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，預氧絲僅在2θ＝25.5°處有峰。（002）晶面是預石墨結構，2θ＝25.5°峰越強，石墨結構越緊密，氧化穩定化程度越高。相同溫區下，原絲1所得預氧絲的峰值要低于原絲2，說明原絲1在相同條件下，預氧化程度更高。

圖3 纖維的XRD圖譜

在2θ＝17°和2θ＝29°時，原絲1的D值高于原絲2。在所得預氧絲中，2θ＝17°時，原絲1所得預氧絲的D值大于原絲2，2θ＝29°時，原絲1所得預氧絲的D值小于原絲2。層間距d的值約為0.5和0.3，沒有顯著差異。根據XRD結果計算的預氧絲的晶體參數見表1。

表1 預氧絲的晶體參數

表1（續）

3 結論

對兩種原絲進行微波預氧化，研究發現，中聚丙烯腈基纖維的牽伸要小于瀝青基纖維的牽伸，并且相同溫區下，聚丙烯腈基纖維微波預氧化所得預氧絲的預氧化程度要高于瀝青基纖維微波預氧化所得預氧絲的預氧化程度。