干喷湿纺与湿纺聚丙烯腈前驱体纤维的微结构及原纤界面失效行为对比研究

本研究通过形态学分析技术和多步纳米压痕实验，对比研究了干喷湿纺(DPF)与湿纺(WPF)聚丙烯腈(PAN)前驱体纤维的原纤形貌及界面失效行为。研究发现DPF的原纤直径分布更窄、表面更光滑，而WPF具有更致密的层状互锁结构和更强的抗原纤化倾向。纳米压痕实验表明WPF的原纤界面结合力更强，为制备高性能碳纤维提供了重要的结构-性能关系理论基础。

　　

Highlight

材料

本研究采用自由基溶液聚合法合成丙烯腈(98 wt.%)与衣康酸(2 wt.%)的共聚物，以二甲基亚砜(DMSO)为溶剂，2,2'-偶氮二异丁腈为引发剂。两种PAN纤维均在试验工厂规模制备：干喷湿纺初生纤维通过6 mm气隙挤出后，进入含30 wt.% DMSO的水溶液凝固浴；湿纺纤维则直接挤入相同组成的凝固浴。

PAN前驱体纤维的原纤形态

原子力显微镜(AFM)图像显示（图1），两种纤维沿轴向均呈现原纤结构特征。高分辨扫描揭示这些由更细小微原纤组成的原纤，通过连接点或分支形成跨尺度的网络结构（图1a1-a2，b1-b2）。干喷湿纺纤维(DPF)的原纤直径分布(100-300 nm)显著窄于湿纺纤维(WPF)(100-500 nm)，且表面更光滑。透射电镜(TEM)进一步观察到WPF原纤界面存在外延生长的片层结构，这些"分子桥"增强了原纤间相互作用。

蚀刻后的纤维形态

经DMSO蚀刻后，扫描电镜(SEM)显示两种纤维均暴露出垂直于轴向的周期性片层骨架。WPF展现出更致密的片层互锁结构，在蚀刻过程中表现出更强的抗原纤化能力，而DPF则更易发生原纤解离。这种差异归因于WPF中更发达的片层交联网络。

原纤界面力学行为

多步纳米压痕实验表明，WPF的原纤界面失效载荷(210±30 μN)显著高于DPF(150±20 μN)。载荷-位移曲线分析揭示WPF存在更明显的"台阶式"失效特征，对应其片层结构的分级剥离过程。这种强界面相互作用主要源于WPF中更丰富的分子链缠结和片层桥接。

结论

通过对比干喷湿纺(DPF)与湿纺(WPF)PAN前驱体纤维发现：WPF具有更宽的原纤直径分布、更致密的片层互锁结构和更强的界面结合力。这些发现为理解不同纺丝工艺对纤维多尺度结构的影响提供了新视角，对优化碳纤维前驱体制备工艺具有重要指导意义。