聚丙烯腈基预氧化纤维的微观结构与密度之间的关系研究

《Journal of Applied Polymer Science》：Study on the Relationship Between the Microstructure and Density of Polyacrylonitrile-Based Pre-Oxidized Fibers

预氧化纤维（OFs）密度调控研究：通过规模化预氧化制备1.29-1.43 g/cm3 OFs，发现密度与元素组成线性相关，而皮肤-核心结构发育导致其他结构参数变化率降低。热稳定性在1.35-1.39 g/cm3区间最佳，拉伸强度则随密度增加持续下降，确定1.35-1.37 g/cm3为最优密度范围，为高性能碳纤维制备提供理论支撑。

　　

摘要

预氧化纤维（OFs）是制造聚丙烯腈基碳纤维（CFs）过程中的关键中间体。然而，关于预氧化纤维的微观结构、性能与密度之间关系的系统研究仍然有限。在本研究中，使用中试规模的预氧化生产线制备了一系列密度范围在1.29至1.43克/立方厘米之间的预氧化纤维。研究发现，元素含量与密度之间存在强烈的线性相关性；但随着密度的增加，其他结构变化参数的变化速率会降低，这是由于预氧化纤维形成了“皮芯”结构。预氧化纤维的热稳定性最初会随着密度的增加而提高，但当密度超过1.39克/立方厘米时会出现下降；而抗拉强度则随着密度的增加而持续降低。考虑到实现适当的预氧化程度并保持最小的“皮芯”结构的必要性，1.35–1.37克/立方厘米的密度范围是生产高质量碳纤维的最佳选择。本研究建立了宏观控制指标（密度）与预氧化纤维的反应程度及性能之间的关系，为碳纤维的工业预氧化过程提供了重要的理论指导，具有重要的科学和经济意义。