纺丝方式对PAN基碳纤维原丝形貌、结构及性能的影响

马雷，黄有平

(金发科技股份有限公司，广州 510663)

0 引言

PAN基碳纤维是一种非常重要的增强材料。由于其具有高强度、高模量、低密度、耐高温烧蚀、抗腐蚀等优异性能，已经在航空航天、建筑、体育用品、医疗器械等领域得到了广泛的应用[1-3]。

PAN基碳纤维原丝(简称PAN原丝)是PAN基碳纤维的前驱体，其性能的好坏直接决定着碳纤维乃至复合材料制品的性能。因此，要制备出优良的碳纤维，研究原丝的制备工艺至关重要[4-5]。目前，制备PAN原丝的工艺主要有湿法和干湿法两种，在国内以湿法工艺更为常见[6]。本文分别采用了湿法、干湿法以及一种介于两者之间的“准干湿法”工艺制备了PAN原丝，并采用多种表征手段比较了其差异。

1 实验部分

1.1 PAN原丝的制备

1.1.1 聚合物溶液的制备

采用溶液聚合法以二甲基亚砜(DMSO)为溶剂进行丙烯腈(AN)、衣康酸(IA)和丙烯酸甲酯(MA)的三元共聚，其中AN占体系总质量的21%，IA、MA与AN的质量比为1 ∶1 ∶98。偶氮二异丁腈为引发剂，聚合温度为60 ℃，反应24 h后，脱除未反应的单体和聚合液中的气泡，即得到备用的纺丝液。

1.1.2 PAN原丝的制备

本实验中所有的PAN原丝均使用图1所示的凝固浴槽成型，凝固浴浓度为65%，温度为60 ℃。各种工艺中，单位时间的供料量和各级传动速度均相同。

图1 纤维制备所使用的凝固装置示意图1—喷丝头 2—凝固浴 3—空气层 4—导丝辊 5—离浴丝条

聚合物溶液经喷丝板挤出后进入凝固浴，然后经导丝轮导出得到初生纤维。初生纤维经过水洗、热水牵伸、上油、干燥致密化、高压蒸汽牵伸、热定型后得到线密度为1.25 dtex的成品原丝。……