聚丙烯腈原丝聚合工艺研究

论文摘要

原始纤维的结构和性能直接影响到碳纤维的质量,而聚丙烯腈原丝的性能又受着聚合过程各种因素的制约。在聚丙烯腈基碳纤维的生产制备中,作为整个制造过程的起始步骤,聚合工艺是决定碳纤维性能的关键。本文首先介绍了聚丙烯腈原丝聚合的生产工艺,如原料配制、聚合、脱单、脱泡、过滤、中和,并对各工序的操作过程进行了详细描述。在重点说明聚合和脱单两处关键工序的同时,力图完整展示生产全貌。概括而言,二甲基亚砜法聚丙烯腈原丝装置聚合单元主要特点包括：1、同时具备溶解、反应、相分离、吸收、过滤等操作,主流程相对较长；2、反应产物为大分子,是粘性流体,传质传热方面有其特殊性；3、生产和输送过程对温度较敏感,强调恒温操作；4、需要设置较复杂的辅助系统及流程。本文接着研究了以丙烯腈(AN)、丙烯酸甲酯(MA)、衣康酸(IA)为共聚单体的聚丙烯腈(PAN)原丝自由基溶液聚合工艺。笔者对聚合过程展开深入研究,重点探讨聚丙烯腈纺丝液(丙烯腈共聚物的二甲基亚砜溶液)特性的变化。对原料及主聚合条件与腈纺丝液性能指标的相互关系进行研究,能够为高性能产品的制备提供理论指导。研究涉及的性能参数主要包括：转化率、旋转粘度、特性粘数、分子量特性等；涉及的原料和工艺条件主要包括引发剂用量和加入时机、主反应温度和聚合时间、单体投料浓度、单体中恶唑含量、回收溶剂的使用。研究发现,工艺条件对性能参数变化存在较好的对应关系。包括：1、转化率和旋转粘度都随聚合时间增加,但增长速率不同；2、合理幅度内提高引发剂浓度或聚合温度,产生的影响效果类似,都会造成转化率增长加快,但最终旋转粘度和特性粘数却明显降低；3、提高单体投料浓度,会同时提高转化率、旋转粘度和特性粘数三项指标。根据对上述不同影响因素的实验,基本确定了较理想的工艺条件范围。此后实验针对影响分子量分布的因素展开,发现：1、将引发剂加入时机选择在聚合升温结束之时,共聚产品分子量特性较好。2、原料中恶唑含量高将导致分子量分布变宽,需要进行限制。最后实验了溶剂回收使用效果,证明其应用不会对产品性能造成明显不利影响,这是对降低成本作用最大的工艺措施。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 前言
• 1.1 聚丙烯腈原丝聚合的意义
• 1.1.1 聚丙烯腈基碳纤维生产路线
• 1.1.2 聚合单元的重要意义
• 1.2 聚丙烯腈原丝聚合工艺概述
• 1.2.1 基本工艺方法的选择
• 1.2.2 工艺原理及主设备
• 1.3 典型流程简介
• 1.3.1 硝酸法聚合流程
• 1.3.2 二甲基亚砜法聚合流程
• 1.3.3 两种聚合工艺路线的比较
• 1.3.4 发展趋势展望
• 1.4 研究目的与主要研究内容
• 第二章 聚丙烯腈原丝聚合生产单元
• 2.1 引言
• 2.2 配料部分
• 2.2.1 丙烯腈脱阻
• 2.2.2 溶剂调配
• 2.2.3 固体物料的计量、溶解
• 2.2.4 液体物料计量
• 2.2.5 混合、输送、过滤
• 2.3 聚合部分
• 2.3.1 主聚合
• 2.3.2 补充聚合及贮存
• 2.3.3 脱单
• 2.3.4 脱泡
• 2.3.5 过滤
• 2.3.6 中和
• 2.3.7 恒压
• 2.4 辅助部分
• 2.4.1 真空和单体回收系统
• 2.4.2 清洗系统
• 2.4.3 热水系统
• 2.5 本章小结
• 第三章 影响聚合生产的主要工艺因素
• 3.1 引言
• 3.1.1 分子量
• 3.1.2 转化率
• 3.1.3 绝对粘度
• 3.2 实验准备
• 3.2.1 生产设备
• 3.2.2 分析方法
• 3.2.3 实验原料
• 3.3 实验过程和结果讨论
• 3.3.1 引发剂加入时机的影响
• 3.3.2 主反应时间的影响
• 3.3.3 聚合温度的影响
• 3.3.4 引发剂浓度的影响
• 3.3.5 单体投料浓度的影响
• 3.3.6 恶唑含量的影响
• 3.3.7 回收溶剂的影响
• 3.4 本章小结
• 第四章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文与专利