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化学改性聚丙烯腈原丝热应力的研究 刘川 刘杰 王培华 北京化工大学 炭纤维及复合材料研究所 本实验研究了在热稳定过程中，经高锰酸钾(KMnO。)改性的纤维热应力的变化。实验 表明，在相同预氧化条件下达到相同内应力时，改性纤维所需预负荷较小；在化学变化区， 政性纤维热应力峰列应的温度较低，表明改性对预氧化反戍具有一定的催化作州。 实验所用原丝为英国counaulds公司产3K炭纤维专用PAN原丝，记为E。将空自原 丝分别浸入75℃、80℃、85℃8％(wt％)KMno。水溶液一定时间后，再用水洗净，定眭_F 放入干燥炉中干燥获得改性纤维试样，分别记为K1、K2、K3。 实验在自制的热机械模试装置上进行，详细_1i艺参数见参考文献[1】。 从图I、2可以看出，随温度升高，改性原丝与未改性原丝都具有两个阶段的应力变化。 在200℃以r的物理变化区，预负荷的大小对曲线形状的影响很大，按Rosenbaum提出的 螺旋结构模犁”】，PAN大分子由于相邻强极性腈基产生分子内排斥而呈螺旋形。热处理初 期，热运动使分子链变成松弛的卷绕状而产生收缩。在较大预负荷(lOo×101CN／d’tex)F， 由丁抑制收缩使取向应力得到松弛，预负荷越大，应力松弛越显著。当温度明显高于T。时， 链段活动能力增强，分子间滑移增大，分子链充分伸展，应力r降。 来改性纤维 改性纤维 营2；o 毫250 三200 之200 言150 耋150 r。100 呈100 三 50 150 誉 。 温度(。c) 圈2稳定化过程中，改性纤维在不同预负 荷下的热应力变化 由图1、2可见，在较高预负荷时，政性 原丝的应力变化趋势较缓且相同温度时改性温 度越高，应力越大。预负荷较低时也遵循这 规律。未改性与改性原丝在物理变化区热应力 的差异，源于大分子链状态的不同”4]。改性 f暑／丑一世豫 使PAN分子致密化(见图3)，阻碍分子链的进 蛆“0％弛鹬H 一步卷绕，故应力松弛小。相同预氧化条件F 0 220 240 260 280 300达一定内应力时，改性纤维所需预负荷较小。 温度(。c) 当PAN纤维加热到200℃以上时，应力 图3稳定化过程中，改‘什纤维与未 变化主要是化学效应引起的，预负荷的大小对 改性纤维密度比较 府力几乎无影响(见图4、5)，主链构象尺寸 的变化决定着应力的变化。在实验温度范围内，各纤维热应力大小依次为：K3K2K1E。 这表明改性温度升高使纤维在化学反应过程中产生更大的内应力，而内应力过人时会使分 子链滑移甚至断裂从而形成缺陷，炭纤维强度显然与这种缺陷的多少密切相关。所以，纤 a．73 维的改性条件必须适度。由图4、5还可看出，在化学变化I毳．廊力变化峰值对应的温度满