详解影响PAN基碳纤维截面结构的关键因素

篇首语

通过PAN基碳纤维微观形貌研究发现，国内外碳纤维企业不同，其生产的PAN基碳纤维截面结构也会存在一定差异，或呈腰形、或呈规则圆形，由于PAN基碳纤维截面结构遗传自PAN原丝，因此，截面结构差异主要源自于企业纺丝工艺的不同，本文将详细分析PAN原丝成型过程中影响纤维截面结构的关键因素。

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凝固浴浓度

经过聚合获得的高聚物PAN通常需要在凝固浴进行成纤，凝固浴主要是由溶剂/H2O体系组成，其中溶剂体系日本东丽采用DMSO、三菱公司采用DMF、赫氏采用NaSCN等。

凝固浴中溶剂体系浓度对PAN原丝截面结构影响规律如图1所示，溶剂浓度较低，PAN原丝呈腰形结构，凝固浴中溶剂浓度越高，纤维呈现规则圆形。

▲ 图1 凝固浴浓度对PAN原丝截面结构影响

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凝固浴pH值

凝固浴pH值对PAN原丝截面结构影响规律如图2所示，当pH值为6.0时，纺丝后获得纤维截面呈现规则圆形，随着pH值降低，纤维截面结构逐渐变得不规则。

▲ 图2 凝固浴pH值对PAN原丝截面结构影响

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凝固浴温度

图3为凝固浴温度对纤维截面结构影响规律，从图中可以看出，凝固浴温度越高，纤维截面结构越规则，当温度升高到55℃时纤维截面呈规则圆形结构。

▲ 图3 凝固浴温度对PAN原丝截面结构影响：（a）10℃，（b）25℃，（c）40℃，（d）55℃

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高聚物分子量

在PAN纤维成型过程中，高聚物分子量也会影响纤维截面结构，其结果如图4所示，分子量较低时纤维截面呈规则圆形，而分子量越高，纤维截面越趋于腰形结构。

▲图4 分子量对PAN纤维截面结构影响 (a) 165000, (b) 253000, (c) 340000， (d) 429000

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结束语

除了上述几种主要因素以外，鉴于聚合、纺丝过程中关键控制点较多，仍有其他多种因素会影响纤维截面特征结构，但总体而言，影响最终PAN基碳纤维截面结构主要因素是聚合、纺丝阶段关键参数，后续预氧化、碳化和石墨化阶段对纤维截面结构影响较小。

不同企业生产PAN基碳纤维截面结构差异主要来自于其纺丝工艺之间差异，东丽、三菱、赫氏等在不同溶剂体系均制备得到高性能碳纤维，因此可以说，由纺丝工艺带来的碳纤维截面结构差异，并不会显著影响碳纤维力学性能，但有可能影响后续复合材料成型加工。

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