凝胶化凝固过程PAN纤维的结构形成及演变规律研究

论文摘要

高质量的聚丙烯腈(polyacrylonitrile, PAN)原丝是生产高性能聚丙烯腈基碳纤维的前提条件。在聚丙烯腈原丝的生产过程中,凝固是其中最为重要的一步。凝胶化的凝固是一种理想化的凝固模式,而凝胶化凝固的机理一直没有定论。本论文通过湿法纺丝的工艺制备PAN纤维。在聚合时添加N制备的PAN纺丝液得到的初生纤维透明、均质,具有凝胶化凝固的现象。通过紫外分光光度计、旋转流变仪初步探讨了N改性PAN纺丝液的作用机理。采用扫描电镜(SEM)、X射线衍射法(XRD)研究N改性PAN纺丝液制得的初生纤维与未改性初生纤维形貌与结构的差异。并进一步研究了这种差异对PAN原丝的结构、形貌、热性能的影响。研究结果表明：聚合时添加N后,使得PAN与DMSO的缔合作用增强,并降低了PAN与凝固剂H2O之间的亲和力,由此改变了PAN/DMSO/H2O体系中小分子DMSO和H20在凝胶网络中的扩散,出现凝胶化凝固的现象。N改性增大了PAN纺丝液的表观粘度、粘流活化能,并改变了纺丝液的粘弹性。N改性PAN纺丝液更易制得结构均匀、缺陷少的初生纤维。改性后的PAN初生纤维结晶度增大,晶粒尺寸减小。PAN原丝的结构是在初生纤维的基础上发展来的,对初生纤维的结构、形貌有一定继承作用。改性后的PAN原丝的晶粒尺寸较未改性的原丝小。N改性主要还是改善PAN纺丝液在凝固时的双扩散作用,对PAN原丝的热性能影响不大。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 碳纤维简介
• 1.2 PAN基碳纤维的制备工艺
• 1.2.1 PAN聚合物的生产
• 1.2.2 PAN原丝的生产
• 1.2.3 PAN纤维的预氧化
• 1.2.4 PAN纤维的碳化
• 1.3 PAN纤维的结构
• 1.3.1 PAN原丝的微观结构
• 1.3.2 PAN基碳纤维的微观结构
• 1.4 初生纤维结构研究
• 1.4.1 初生纤维的截面形状
• 1.4.2 初生纤维的晶态结构
• 1.4.3 皮芯结构
• 1.5 亲水改性对PAN纤维结构的作用
• 1.6 凝胶化凝固过程
• 1.7 聚丙烯腈纺丝液的性质
• 1.8 研究内容
• 第二章 实验部分
• 2.1 主要原料
• 2.2 实验设备和方法
• 2.2.1 纺丝液的制备
• 2.2.2 纺丝工艺、设备及样品处理
• 2.3 表征方法
• 2.3.1 紫外分光光度测定
• 2.3.2 聚丙烯腈聚合物溶液流变性的测定
• 2.3.3 PAN纺丝液接触角测定
• 2.3.4 纤维截面形状的观察
• 2.3.5 X射线衍射法（X-ray diffraction,XRD）
• 2.3.6 扫描电镜（Scanning Electron Microscope,SEM）
• 2.3.7 示差扫描量热分析（DSC）
• 2.3.8 热重分析（TG）
• 2.3.9 纤维热机械性能测试
• 第三章 结果与讨论
• 3.1 改性剂N在PAN/DMSO系统中的作用
• 3.2 PAN纺丝液的性质
• 3.2.1 PAN纺丝液的表观粘度对剪切速率的依赖性
• 3.2.2 N的加入对粘流活化能的影响
• 3.2.3 PAN纺丝液动态粘弹性的研究
• 3.2.4 PAN纺丝液的亲水性
• 3.2.5 小结
• 3.3 PAN初生纤维结构的形成
• 3.3.1 PAN初生纤维的截面形成
• 3.3.2 初生纤维的晶态结构
• 3.3.3 小结
• 3.4 PAN原丝的晶态结构
• 3.5 PAN纤维的结构演变
• 3.5.1 PAN纤维的表面形貌演变
• 3.5.2 PAN纤维的晶态结构演变
• 3.6 原丝的热性能
• 3.6.1 PAN原丝的DSC曲线
• 3.6.2 PAN原丝的热机械曲线
• 3.6.3 PAN原丝的TG曲线
• 第四章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 研究成果及发表的学术论文
• 作者简介
• 导师简介
• 附件