[发明专利]一种聚丙烯腈预氧化纤维皮芯结构的检测方法

说明书

技术领域

本发明属于一种检测聚丙烯腈(PAN)预氧化纤维均质化程度的方法，尤其涉及一种预氧化纤维皮芯结构的检测方法。

背景技术

碳纤维具有高比强度、高比模量、耐腐蚀、耐高温、耐摩擦、导热、导电等优异性能，在航空航天、体育、建筑、汽车、新能源等领域具有广泛的应用。在PAN基碳纤维的制备过程中，预氧化处理是影响碳纤维性能的关键环节之一，起到承上启下的作用，使可塑性PAN线性分子链发生分子内环化、分子间交联及氧化等反应，转化为非塑性耐热梯形结构。在此过程中，由于纤维外层快速环化形成致密结构，阻碍了氧沿纤维径向向内部的传输，从而使纤维外层和内部预氧化程度存在差异，这种皮层和内部预氧化程度的差异即为皮芯结构。在后续低温炭化过程中，预氧化程度较低的芯部产生裂解物较多，形成的缺陷较多，最终将影响碳纤维的性能。调控预氧化纤维的皮芯结构即均质化程度，有利于进一步提升碳纤维的性能。因此，发明一种快速准确检测预氧化纤维皮芯结构的方法，指导预氧化工艺参数的调整，具有非常重要的意义。朱小龙(CN103575754A)采用硫酸溶液刻蚀后SEM观察测量法，该方法先用胶棉液固化预氧化纤维，然后用刀片沿夹具切断，再用常温硫酸溶液刻蚀，在此过程中由于预氧化纤维韧性较大，胶棉液固化效果较差，在用刀片切割时纤维易倒伏、截面不平整；在刀切制样后再用硫酸溶液刻蚀芯部，易使纤维截面不光洁，孔壁不光滑，影响观察及芯部直径测量结果的准确性。戚明之(CN101825558A)采用光密度法，但该方法首先需要经过严格的50-1500nm厚度左右的超薄切片处理，并需要保证切面平整无刀痕，其次还需要将所得图片进行专业的图像分析才可得到数据，整体处理步骤繁复，操作难度高。

因此，PAN预氧化纤维皮芯结构的检测急需一种操作简便，可快速准确反馈测试结果的方法，这种方法的应用，可为工业化生产中预氧化工艺参数的调整，提供直观、定量的指导。

发明内容

本发明的目的在于提供一种操作简便，可快速准确的检测PAN预氧化纤维皮芯结构的方法。

本发明提供一种PAN预氧化纤维皮芯结构的检测方法，包括以下步骤：

⑴将0.5-2g PAN预氧化纤维长丝剪为2-4cm的短丝，浸渍于盛有硫酸溶液的烧瓶中，硫酸溶液浓度为20-60wt％，将硫酸溶液加热至沸腾，并进行回流，在沸腾条件下将预氧化纤维处理0.1-2h；

⑵取出处理完毕的预氧化纤维，用去离子水搅拌洗涤至中性，滤纸过滤后收集于表面皿中；

⑶将收集到的样品，在100-140℃下烘干1-2h，取出后置入干燥器中自然冷却至室温；

⑷取步骤(3)处理后预氧化纤维短丝，将预氧化纤维短丝之间平行放置，用条形双面导电胶带将预氧化纤维短丝紧紧缠绕，再用刀片快速切除所缠绕胶带的两端，保留中间0.5cm长的一段，将其一端用双面导电胶带粘牢并直立于SEM试样台上，用SEM扫描预氧化纤维截面并存图；

⑸将图片用SEM的测量软件进行纤维及芯部直径的测量，用如下公式计算并确定芯部比例：

芯部比例/％＝(R_芯部直径/R_{预氧化纤维直径})²×100％；

(6)任意选取图片中5根纤维测量其直径及芯部直径，分别计算出芯部比例，最后取平均值，确定芯部所占比例。

如上所述的PAN预氧化纤维为1K(1K＝1000根纤维)、3K、6K、12K、24K的PAN预氧化纤维。

本发明具有如下优点：

与现有技术相比，本发明操作更加简便。本发明是在沸腾的硫酸溶液中处理预氧化纤维，即使在低浓度硫酸溶液中同样可保证处理效率及效果。经此方法处理后，预氧化纤维仅剩皮层结构，韧性降低利于刀切制样，再用导电胶带紧紧缠绕固定后，基本能避免刀切过程中纤维倒伏的现象，并可保证截面的平整度；再有就是经此方法处理过的预氧化纤维截面孔洞明显、孔壁光滑，利于观察和芯部直径的测量。

附图说明

图1是20wt％硫酸溶液处理2h的预氧化纤维截面形貌。

图2是40wt％硫酸溶液处理0.8h的预氧化纤维截面形貌。

图3是60wt％硫酸溶液处理0.1h的预氧化纤维截面形貌。

具体实施实例

下面详细说明本发明并给出几个实施例和对比例：

实施例1