PAN基碳纤维制备过程中2D-SAXS随温度的变化

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  PAN基碳纤维制备过程中2D-SAXS随温度的变化如图1示。从图中可以看出，纤维的散射图在赤道方向上有所拉长，而在子午线方向上有所压缩，这说明纤维在长度方向和直径方向上存在很大的尺寸差异，且纤维缺陷沿纤维轴向取向。有文献报道指出，PAN纤维原丝和预氧化纤维会存在一些类似长周期的有序结构，即在散射图的子午线方向上会出现明显的散射弧或散射斑，但是在我们的试验中从未发现过类似的结构，这可能是由于纤维原丝的聚集态结构不同所引起的。在这里我们认为散射强度仅是由纤维内部的缺陷引起的。根据SAXS求纤维缺陷参数的方法，计算出的纤维缺陷参数列于表 1

图 1 PAN基碳纤维制备过程中2D-SAXS随温度的变化

表 1纤维制备过程中缺陷的长度、直径以及发散角

   从表1可以看出，纤维缺陷的直径、长度、发散角等随温度的变化没有太明显的规律，这是由于纤维在制备过程中受到太多工艺参数的影响，这些工艺参数包括：温度、张力、时间等，每个工艺参数对缺陷的直径、长度、发散角都会产生一定的影响，这些因素掺杂在一起使得纤维缺陷的直径、长度、发散角等不会有太明显的变化规律。但是缺陷的平均体积在PAN基碳纤维制备过程中却呈现出一定的规律性，而且同其物理化学变化规律趋于一致。图2为纤维缺陷的平均体积在PAN基碳纤维制备过程中的变化。纤维缺陷的平均体积可以明显分为三个阶段：预氧化初期（150-230℃）、预氧化中后期（250-300℃）、低温以及高温炭化阶段（400-1200℃）。在预氧化初期，纤维本身的化学反应不是很明显，而此阶段又处于PAN大分子的玻璃化转变温度附近，分子链活动比较剧烈，分子链的运动使得纤维缺陷体积扩大。随后进入预氧化中后期，纤维内部以环化交联反应为主，环化反应使纤维内部结构更加紧凑，从而缺陷体积减小。当继续进行后续的低温炭化和高温炭化时，梯形大分子之间开始相互交联，这期间会放出大量的小分子气体，小分子气体从纤维内部挥发出去从而使得缺陷体积逐渐增大。

图 2纤维缺陷的平均体积在PAN基碳纤维制备过程中的变化