复合引发体系水相沉淀聚合制备聚丙烯腈及特性研究

论文摘要

碳纤维用聚丙烯腈(PAN)是以丙烯腈(AN)和少量共聚单体共聚而成,本文中采用衣康酸(IA)为第二单体,丙烯酰胺(AM)为第三单体,使用不含碱金属离子的氧化还原复合引发体系,以水相沉淀聚合的方法制备了碳纤维用PAN,并且研究了不同引发体系,聚合反应温度,引发剂氧还比,不同单体配比,第三单体和链转移剂对共聚反应的影响,并确定了最佳反应条件。借助于乌式粘度计(UVM),傅立叶变换红外光谱(FTIR),广角X射线衍射(WAXRD),差示扫描量热(DSC)和旋转粘度计等多种测试方法,对共聚物的转化率,粘均分子量,结构特性,结晶性能,热性能和溶液性能进行了研究,探讨了各聚合工艺参数与聚合物结构和性能的关系。研究发现,引发剂选用过硫酸铵(APS)和亚硫酸铵(AS)组成的氧化还原复合引发体系得到的结果最好,它可以在较低的温度下得到较高的转化率,使用复合引发体系的反应温度比使用单引发剂时至少降低了三分之一。本文中研究的反应体系最佳反应条件为：总单体浓度22wt%,温度为40～50℃,反应时间2h,引发剂的氧化剂浓度(APS)=0.8wt%,APS/AS(摩尔比)=1：1,共聚单体IA加入量在3wt%以内,三元共聚时单体配比为AN/IA/AM=98:1:1,链转移剂采用正十二硫醇(SH),通过控制以上各反应条件,可以获得较高的转化率,得到的聚合物性能也较好。通过对共聚物进行FTIR, WAXRD,DSC测试可以看出,温度及引发剂氧还比的改变对于PAN共聚物的分子链结构都没有太大影响,聚合反应中单体配比的改变对于聚合物的结构也没有太大影响,仅在FTIR图谱中反映出共聚单体用量的多少。当共聚单体IA加入量低于3wt%时,随着IA的含量的增加,聚合物的结晶度逐渐增加,当IA的加入量大于3wt%时,共聚物的结晶度逐渐降低,适当加入共聚单体IA可以有效降低放热速率,缓和集中放热现象。对于二元共聚,温度降低,共聚物结晶度下降,而对于三元共聚,温度降低,结晶度反而升高,在较低的聚合温度下,三元共聚物的结晶性能优于二元共聚物,但是,三元共聚物的放热速率明显高于二元共聚。链转移剂SH在分子量降低程度和使用量方面的都具有较好的效果,同时对共聚物的结构,结晶性能和热性能影响不大。对于PAN纺丝原液溶解性能的研究表明,使用复合引发剂得到的共聚物在相同条件下其纺丝原液粘度明显低于使用单引发剂得到的共聚物,随着共聚物固含量和分子量的升高,溶液粘度明显升高,但是共聚物溶液的粘度受分子量的变化影响更为明显。PAN聚合物溶液表现出明显的切力变稀现象,它属于非牛顿流体中的假塑性流体。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 国内外聚丙烯腈（PAN）基碳纤维简介
• 1.2 PAN基碳纤维及原丝的生产工艺
• 1.2.1 原丝的制备
• 1.2.2 原丝的预氧化
• 1.2.3 原丝的碳化
• 1.3 PAN共聚物合成工艺研究现状
• 1.3.1 共聚单体的选择
• 1.3.2 PAN合成方法的选择
• 1.4 聚合引发剂的选择
• 1.5 PAN粉料的溶解原理
• 1.6 PAN共聚物的结构特征
• 1.7 本文的研究内容及意义
• 第二章 实验部分
• 2.1 技术路线
• 2.2 实验材料
• 2.3 实验设备
• 2.4 共聚物的合成
• 2.5 共聚物的溶解
• 2.6 测试与表征方法
• 2.6.1 转化率的测定
• 2.6.2 粘均分子量的测定
• 2.6.3 傅里叶红外光谱（FTIR）
• 2.6.4 广角X射线衍射（WAXRD）及结晶度
• 2.6.5 差示扫描量热（DSC）分析
• 2.6.6 共聚物溶液的流变性能
• 第三章 PAN共聚物的制备
• 3.1 前言
• 3.2 聚合引发机理
• 3.3 复合引发体系
• 3.3.1 复合引发剂的选择
• 3.3.2 二元共聚中反应温度及引发剂氧还比的影响
• 3.3.3 二元共聚中单体配比的影响
• 3.3.4 三元共聚中反应温度及引发剂氧还比的影响
• 3.4 链转移剂
• 3.5 本章小结
• 第四章 PAN共聚物的特性分析
• 4.1 前言
• 4.2 共聚物的红外光谱表征
• 4.2.1 二元共聚物的FTIR分析
• 4.2.2 三元共聚物的FTIR分析
• 4.2.3 链转移剂对共聚物红外谱图的影响
• 4.3 共聚物的WAXRD分析
• 4.3.1 温度及引发剂的改变对共聚物结晶性能影响
• 4.3.2 单体配比改变对共聚物结晶性能的影响
• 4.3.3 第三单体的加入对共聚物结晶性能的影响
• 4.3.4 链转移剂的加入对共聚物结晶性能的影响
• 4.4 共聚物的DSC热性能分析
• 4.4.1 二元共聚物的DSC分析
• 4.4.2 三元共聚物的DSC分析
• 4.4.3 加入链转移剂后共聚物DSC分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 PAN共聚物的溶液性能
• 5.1 前言
• 5.2 PAN纺丝原液的制备
• 5.3 PAN共聚物溶液的表观粘度
• 5.3.1 粘度与温度和固含量的关系
• 5.3.2 粘度与分子量和剪切速率的关系
• 5.4 粘流活化能△Eη
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表及录用学术论文
• 参与科研项目情况
• 学位论文评阅及答辩情况表