[发明专利]聚丙烯腈预氧丝环化结构体积分数的测试方法

说明书

技术领域

本发明属于分析测试领域，主要针对聚丙烯腈预氧丝环化结构体积分数的X射线小角散射精确测试方法。

背景技术

预氧化处理是在纤维生产过程中的主要工艺环节。聚丙烯腈(PAN)原丝中的链状分子束经过200℃～300℃预氧化处理转化成环状稳定结构，在随后的高温碳化处理时方可保持纤维状态热解成高性能的PAN基炭纤维。对于预氧化程度是否得当，当前主要用红外光谱和X射线广角衍射方法来观察表征，因为这两种方法所观察到的都不是已环化结构的体积或重量的线牲参数，所以在研究工作和生产中应用起来多有不便。

发明内容

本发明要解决的技术问题是弥补了上述两种方法的不足之处，精确测量PAN原丝经过一定条件的预氧化工艺条件处理的PAN预氧丝，给出环化结构体积占整个试样体积的百分比。

具体的技术方案是：

一种聚丙烯腈预氧丝环化结构体积分数的测试方法，应用X射线小角散射测角仪，配有多层膜镜单色器的Cu辐射，狭缝光源准直系统，将聚丙烯腈(PAN)预氧化纤维试样平行排列呈平板状；测量试样的子午散射强度曲线，子午散射强度曲线Ic(s)经过背底校正；从曲线中分离出X射线小角散射的长周期衍射峰，计算出衍射峰积分强度；再应用下式计算出预氧丝环化结构体积分数Vi，

V_i＝[cos^-1(1-2I_i/I_max)]/2π

其中：I_i为该预氧丝长周期衍射峰积分强度；I_max为所有试样中V_i＝1/2试样的衍射峰强度。

本发明的分析表征方法采用的是小角X射线散射技术。最好采用较高功率的X射线小角散射设备，其功率12～18KW为妥。散射强度记录范围2θ＝0.1°～5°。分析试样为将纤维平行排列呈平板状，厚度0.3mm—0.7mm之间。

所说的狭缝光源准直系统，优选4狭缝光源准直系统，4狭缝的宽度分别为0.04mm、0.03mm、0.1mm、0.25mm；所说的测量聚丙烯腈预氧丝试样的子午散射强度曲线，是采用步进扫描方式记录散射强度，步长为0.02°，时间为10s，扫描范围0.1°～5°。

所说的子午散射强度曲线Ic(s)，是在X射线扫描方向与试样的纤维轴方向相平行条件下测得的。子午散射强度曲线Ic(s)须经过背底校正。具体的校正过程是，与子午散射强度曲线Ic(s)实验条件相同的条件下测背底散射强度曲线I_K(s)，并用试样的Ic(s)减掉背底散射的I_K(s)。

本发明的优点在于可给出一定条件下得到的预氧丝中环化相的准确体积分数。而广角X射线等方法则不能。因此本发明有如下效果：能够指出生产条件与环化相数量间的定量关系，指出环化相数量与预氧丝性能间的对应关系，并依此科学的认定出最佳的预氧生产条件，为生产和相关理论研究服务。

附图说明

图1是本发明的经过背底校正的PAN基预氧丝子午扫描散射强度曲线。

具体实施方式

实施例1

通过对一种国产聚丙烯腈(PAN)原丝，在230℃空气气氛下经60分钟预氧化后，应用日本理学D/max2550PC18KW转靶X射线衍射仪检测聚丙烯腈预氧丝(炭纤维)的X线小角散射强度。选用配有多层膜镜单色器的Cu辐射，4狭缝光源准直系统。狭缝的宽度分别为：0.04mm、0.03mm、0.1mm、0.25mm。采用步进扫描方式记录散射强度，步长为0.02°，时间为10s，扫描范围0.1°～5°。将一组聚丙烯腈预氧丝纤维试样平行排列呈平板状，厚度0.5mm。记录散射强度时按透射方式安排。

测量子午散射图谱(扫描方向与纤维轴平行)。散射强度曲线经过背底校正之后从图谱中分离出低角长周期衍射峰并计算出它的衍射峰积分强度，见图1，图中的实线就是散射强度曲线，虚线是拟合的。这种长周期衍射峰是由预氧化丝中未环化区与已环化区交替排列的周期层状结构造成的。

这种层状结构的衍射峰积分强度与环状稳定结构的体积分数有如下关系：

V_i＝[cos^-1(1-2I_i/I_max)]/2π.............(1)