聚丙烯腈(PAN)原丝质量是提高碳纤维性能的关键因素,针对干喷湿纺工艺中的各阶段纤维结构与性能展开系统性研究,全面了解PAN初生纤维结构成形以及后续纺丝各阶段的纤维结构转变过程,对改善PAN原丝质量和提高碳纤维拉伸强度具有实际指导优化的作用。本文中我们采用了 X射线衍射仪(XRD)、高分辨透射电镜(HRTEM)、扫描电镜(SEM)、差示扫描量热法(DSC)、热重分析(TG)等测试分析技术,对不同纺丝原液参数和凝固浴条件的初生纤维结构与性能,以及制备过程当中PAN纤维的结构转变规律展开了系统性研究工作。干喷湿纺初生纤维阶段是PAN原丝结构形成的最初以及最关键的制备过程。初生纤维结构对原丝质量有重要的影响。研究了凝固浴不同温度、牵伸比以及不同黏均分子量、固含量对PAN初生纤维结构和性能的影响。凝固浴温度能够影响初生丝条的双扩散过程,能够影响初生纤维截面形状;随着牵伸倍数的提高,初生纤维结晶度、晶粒尺寸和沸水缩率逐渐增长,分子链紧密排列,微孔尺寸和数量降低,初生纤维的纤度降低、拉伸强度增大、断裂伸长率升高,同时其相应的离散系数也变小;随着黏均分子量和原液固含量的增加,纺丝原液中PAN分子链的缠结点密度增加,原液黏度升高,初生纤维纤度减小,拉伸强度升高。固含量较高的纺丝原液对干喷湿纺工艺制备优质初生纤维有利。研究了干喷湿纺过程中各阶段PAN纤维微观结构,以及结晶结构对PAN原丝的力学性能和热性能的影响。干喷湿纺制备的PAN纤维表面光滑、杂质少、表面缺陷较少。在原丝制备过程中,PAN纤维的晶粒尺寸升高、结晶度呈上升趋势,结晶结构随之完善,其中,牵伸能够提高结晶度,致密化和热定型能够增进晶粒生长;随着纺丝的进行,PAN纤维纤度减小,致密性提高,拉伸强度升高,断裂伸长率降低。原丝的晶体结构对其力学性能和热性能有重要的影响,结晶结构越完善,对原丝的力学性能越有益,预氧化过程中的环化反应越难发生,反应的起始温度趋于高温,而且能够预防PAN分子链热分解。利用HRTEM表征PAN纤维微观结构,利用环氧树脂对纺丝各阶段PAN纤维进行包埋,采用超薄切片技术,得到与纤维轴向相垂直的横向切片和相平行的纵向切片,切片厚度为50-70nm,有利于电子束穿透纤维切片。其中,环氧树脂只起固定纤维的作用,对图像衬度没有增强效果。初生纤维内部组织是片层结构,片层垂直于纤维轴向排列,片层之间的孔隙较多;在凝固浴预牵伸阶段,开始出现微原纤结构,微原纤平行于纤维轴向排列,在多级牵伸和致密化后,微原纤排列更为紧密,微原纤之间并不是平行排列,微原纤之间会有交错、缠绕,微原纤的直径约30-50nm。微原纤之间存在孔隙,孔隙在拉力的作用下,截面为狭长型,在纺丝过程中,孔隙数量减少,但不能完全消除。