黏胶纤维在热解过程中微孔结构的演变陈洁邓李慧陈师夏少旭
吴琪琳
（东华大学纤维材料改性国家重点实验室，上海201620）
文摘利用同步辐射X射线小角散射(SAXS)研究了黏胶基碳纤维原丝裂解过程中微孔的变化。结果表明：裂解过程中微孔沿轴向的半径由3.88nm逐渐增大到7.04nm，而垂直于轴向的半径则由3.86nm减小至3. 15nm。因而，孔形由椭圆逐渐演变成针形，且取向趋向于纤维轴方向。分形研究表明：垂直于轴向的微孔分形维数由2.40增大到2.61，而沿轴向的微孔分形维数则在2.00~2.23波动，说明随着裂解的进行，微孔结构逐渐趋于复杂化。微孔是影响纤维的力学性能主要因素，对纤维中的微孔结构的研究有着重要意义。
关键词黏胶基碳纤维，热解，显微结构，分布，分形
中图分类号：TB32
D0I:10. 3969/j. issn. 10072330.2015.03.006
Evolution of MicroporositiesinRayonFibersDuringPyrolysis
CHENCongjieDENGLihui
CHENShi
XIAShaoxu
WUQilin
( State Key Laboratory for Modification of Chemical Fibers and Polymer Materials, Donghua University, Shanghai 201620)
Abstract The micropores of the rayon based carbon fiber precursors were studied during the pyrolysis process. Results indicated that the longitudinal radius of the micropores increased gradually from 3. 88 nm to 7. 04 nm while the evolution trend of transversal radius was inverse which decreased to 3. 15 nm from 3. 86 nm, thus the shape of the mi-rocpores became needle. Meanwhile, the fractal dimension of transversal micropores increased from 2. 40 to 2. 61 and the fractal dimension of longitudinal micropores fluctuated in the process from 2. 00 to 2. 23, which indicated the roughness of the micropores increased gradually. The micropore is a major factor in controlling the mechanical proper-ty of fibers, therefore it's important to study the micropores.
Key wordsRayon-based carbon fiber,Pyrolysis, Microstructure, Distributions , Fractals
0引言
碳纤维主要由聚丙烯睛纤维、沥青纤维和黏胶纤维经过预氧化、炭化和石墨化制得，以其具有高比强度、高比模量、耐磨、耐烧蚀等优异性能，在航空、航天、体育用品、医疗器械等领域得到了广泛的应用[1-3:。其中，黏胶基碳纤维是最早工业化生产的碳纤维4。然而，大量微孔缺陷的存在使得这类纤维在力学性能上无法与聚丙烯睛基碳纤维和沥青基碳纤维相竞争。黏胶基碳纤维微孔缺陷产生主要有两点原因：其一是由黏胶纤维遗传给碳纤维的；其二是由于黏胶纤维在热解和炭化等过程中分子间反应造成的。尤其是热解过程，这是一个包括脱水、聚合交联、原子重排等复杂的化学变化过程:3-6)。纤维在这一过程中产生了大量的缺陷结构。而提高碳纤维力学性能的过程就是控制缺陷尺寸和数目的过程。
收稿日期：201504-28
小角X射线散射技术（SAXS）是在纳米尺度（1 ~100nm)上研究材料内部微孔结构的重要方法之一。通过对小角散射图样或者散射曲线的分析可以获得微孔的形状、尺寸和分布等信息7-9]。特别是高强度、高准直性的同步辐射光源的应用，可以提高 SAXS实验的效率和分辨率10]。因此，采用同步辐射 SAXS研究碳纤维的微孔结构有着显著的优点。
目前，国内外学者已采用SAXS对聚丙烯腈基碳纤维的微孔结构做了一定的研究!"-12。Perret等人13很早便通过SAXS和广角X射线衍射（WXRD）技术初步研究了PAN基碳纤维的微孔结构，发现孔隙存在于碳纤维的带状结构之间并平行于带状结构，孔隙的长度大于碳带结构平直部分的平均长度。其后，A.F.Thunemann等14:向前更进了一步，用SAXS 研究了这种孔隙结构在热处理过程中的演变情况，发
基金项目：国家自然科学基金（No.60975059）和上海市教育委员会科研创新项目（No.14ZZ069）
作者简介：陈综洁，1989年出生，颈士，主要从事黏胶基碳纤维微观结构研究。E-mail：anhuicheneongjie@163.com 通讯作者：吴琪球，1970年出生，研究员，主要从事高性能纤维及其复合材料的研究。E-mail:wql@dhuedu.cn
24 万方数据
宇航材料工艺
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2015年第3期