高分子量聚炳烯腈基碳纤原丝纺丝成型工艺的研究

论文摘要

碳纤维因其拥有高含碳量,高强度,高模量和优越的机械性能及化学稳定性,广泛应用于航空、航天领域。要想生产高性能碳纤维必须拥有十分优质的碳纤维原丝,聚丙烯腈(PAN)原丝是目前生成碳纤维最主要的原料。在碳纤维的生产过程中,原丝的性能是制约碳纤维性能的主要因素。影响原丝性能的因素主要有聚合体中共聚单体类型,纺丝方法,凝固浴条件参数及工艺,热水及高压蒸汽牵伸工艺,干燥致密化程度工艺,上油工艺等等。基于此我们对高分子量聚丙烯腈的合成以及纺丝做了大量的工作,为了得到更加优质的碳纤维原丝,本实验重点放在原丝的生产工艺上,尤其是在凝固浴的工艺上。为了得到更好的初生纤维的形貌以及性能,用正交试验的方法设计三因素(三种凝固浴参数：凝固浴温度,凝固浴浓度,凝固浴中初生纤维负牵伸倍数)。通过多种水平试验,得到很多不同参数的丝束。通过扫描电子显微镜(SEM)观察初生纤维的表面形貌和断面微观形貌,通过X射线衍射仪(XRD)分析结晶及晶粒尺寸大小,以及电子单纤维强力机测试初生纤维的强度,得出三种凝固浴参数对初生纤维圆形横截面形状的影响大小程度为：凝固浴浓度>凝固浴表观负牵伸倍数>凝固浴温度。三种凝固浴参数对初生纤维结晶度的影响,得到影响大小顺序是：凝固负牵伸比>凝固浴浓度>凝固浴温度。最后得出确立了一条最优越的凝固浴工艺参数,在凝固浴浓度为80%,凝固浴表观负牵伸倍数为0,凝固浴温度为40℃C时得到的高分子量PAN湿法纺丝初生纤维,不仅具有优异的表观形貌和圆形横截面,还具有良好的物理机械性能。牵伸工艺对纤维结构性能的影响,分别对多级凝固浴牵伸,热水牵伸,高温高压蒸汽牵伸,用电子显微镜、X射线衍射、电子单纤维强力机测试等手段进行分析,对不同牵伸倍数下的纤维进行分析测试,得出热水牵伸倍数为5倍时,可以得到强度较高、性能较好的PAN原丝,而高温高压蒸汽牵伸在2.5倍时已得到结构、性能、强度都非常优越的纤维。最终制得了强度超过1GPa的优质碳纤维原丝,从而优化了实验方案,对后续实验具有指导意义。

论文目录

• 学位论文数据集
• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1. 国内外碳纤维的发展现状
• 1.2 碳纤维原丝制备工艺简介
• 1.3 原丝的生产过程
• 1.3.1. 纺丝液的制备
• 1.3.2. 脱单体、脱泡
• 1.3.3. 喷丝
• 1.3.4. 凝固成型过程
• 1.3.5. 热水牵伸
• 1.3.6. 水洗
• 1.3.7. 上油
• 1.3.8. 干燥致密化
• 1.3.9. 高温高压水蒸汽牵伸
• 1.3.10. 热定型
• 第二章 实验材料实验方法
• 2.1. 试剂及仪器
• 2.2. PAN的合成
• 2.2.1. PAN的合成方法
• 2.3. 纺丝
• 2.3.1. 纺丝液的制备
• 2.3.2. 湿法纺丝及凝固浴
• 2.3.3. 热水牵伸及水洗
• 2.4. 测试方法及表征
• 2.4.1. 转化率的测定
• 2.4.2. 分子量的测定
• 2.4.3. 纤维直径测试
• 2.4.4. 密度梯度管
• 2.4.5. X射线衍射
• 2.4.6. 扫描电镜（SEM）
• 2.4.7. 原丝力学性能测试
• 2.4.8. 沸水收缩率及纤维体密度测定
• 2.4.9. 扫描电子显微镜
• 第三章 高分子量PAN湿法纺丝凝固工艺对初生纤维表面形貌的影
• 3.1. 高分子量PAN基碳纤维原丝在湿法纺丝中的凝固成型
• 3.2. 初步对凝固浴参数进行正交实验
• 3.2.1. 三种因素进行正交试验
• 3.2.2. 凝固浴浓度对PAN初生纤维横截面形貌的影响
• 3.2.3. 凝固浴表观负牵伸对初生纤维横截面形貌的影响
• 3.2.4. 凝固浴温度对初生纤维横截面形貌的影响
• 3.2.5. 不同凝固浴的条件对纤维综合性能的影响
• 3.3. 凝固浴参数进一步正交试验
• 3.3.1. 凝固浴浓度对初生纤维形貌的影响
• 3.3.2. 凝固浴中负牵伸对初生纤维形貌的影响
• 3.3.3. 凝固浴温度对初生纤维横截面形貌的影响
• 3.3.4. 凝固浴的条件对初生纤维密度的影响
• 3.3.5. 不同凝固浴的条件对初生纤维综合性能的影响
• 第四章 高分子量PAN湿法纺丝凝固工艺对初生纤维晶体结构影
• 4.1. 初生纤维的晶体结构和分子取向分析
• 4.1.1. 凝固浴的负牵伸比对初生纤维结晶度的影响
• 4.1.2. 凝固浴浓度对初生纤维结晶度的影响
• 4.1.3. 凝固浴温度对初生纤维结晶度的影响
• 4.2. 初生纤维缺陷的研究
• 第五章 高分子量聚丙烯腈原丝的制备的工艺研究
• 5.1. 牵伸工艺对纤维结构与性能影响的研究
• 5.1.1. 初生纤维的牵伸阶段对原丝性能的影响
• 5.1.2. 多级凝固浴牵伸
• 5.2 热水牵伸
• 5.3. 高温高压蒸汽牵伸
• 5.4. 干燥致密化工艺对纤维结构与性能影响
• 5.4.1. 干燥致密化的作用机理
• 5.4.2 干燥致密化温度对纤维结构与性能的影响
• 5.4.3 干燥致密化时间对纤维结构与性能的影响
• 第六章 结论
• 参考文献
• 研究成果及发表的学术论文
• 致谢
• 作者和导师简介
• 附件