溶剂/非溶剂体系对聚丙烯腈溶液相分离行为及纤维微观结构的影响机制研究

这篇研究通过对比DMF/水、DMSO/水和DMF/甲醇三种溶剂/非溶剂体系，揭示了聚丙烯腈(PAN)溶液相分离行为与纤维微观结构演变的关联性。研究发现，DMF/水体系因快速相分离导致指状微孔(microvoid)和较高结晶度，但阻碍后续氧化反应；而DMF/甲醇体系通过凝胶网络(gel-like network)结构提升分子链取向度，最终获得更优的稳定化纤维结构。该工作为碳纤维前驱体优化提供了新视角。

　　

Highlight

本研究揭示了溶剂/非溶剂体系选择对聚丙烯腈(PAN)前驱体纤维微观结构和微孔形态的关键影响，这些特征进而主导了稳定化过程中的结构演变。

Thermodynamic and kinetic characteristics of phase separation of PAN solutions

从热力学角度，聚合物-溶剂-非溶剂三元体系的相分离行为可通过扩展弗洛里-哈金斯(Flory-Huggins)理论描述。该理论中，混合吉布斯自由能(ΔG_mix)由各组分的摩尔数(n_i)和体积分数(φ_i)决定（公式1）。当PAN与溶剂/非溶剂相互作用较弱时（如DMF/水体系），快速相分离导致初生纤维具有高结晶度，但会形成排列紊乱的指状微孔；而DMF/甲醇体系因低温下缓慢相分离形成凝胶网络结构，显著提升后续拉伸过程中的分子链可移动性。

Conclusion

研究表明：溶剂/非溶剂体系的化学性质差异会通过影响相分离速率，决定PAN纤维的微孔形态（指状或海绵状）和分子取向度。DMF/水体系初生纤维虽具有高取向，但大尺寸微孔会阻碍稳定化过程中的氧扩散；而DMF/甲醇体系通过独特的凝胶网络结构，使纤维在稳定化后仍保持最高取向度。这些发现为通过溶剂工程调控碳纤维性能提供了理论依据。