纺丝过程中PAN纤维分子凝聚态结构的转变

论文摘要

PAN纤维的性能直接决定了最终所得到碳纤维的性能，而往往PAN纤维的性能又是由原丝的结构所决定的，也就是说要想获得具备高性能的PAN纤维，就必须从结构调控入手，不同的外场因素又将影响着结构的调控。以往主要是对PAN纤维结构的研究，对于纺丝过程各阶段外场影响因素的研究较少，且关于PAN大分子构象，以及构象演变对聚集态结构转变的影响研究更少。这些微观结构对最终的PAN原丝的结构起到了至关重要的作用，所以研究PAN大分子构象及其对聚集态结构的影响在碳纤维研究领域具有十分重要的意义。本论文主要通过研究外场因素对纺丝过程中PAN纤维分子链构象的影响，找到一种合适的表征构象的方法，建立起构象转变模型，从而讨论构象演变对聚集态结构转变的影响，最终探讨纺丝过程中PAN纤维分子凝聚态结构的转变。本文主要以FTIR作为主要测试手段，研究纺丝过程中PAN大分子构象演变特征，以及外场因素作用下不同纺丝阶段的构象转变；以XRD作为聚集态结构研究的主要手段，建立起PAN大分子构象演变与聚集态结构转变之间的联系，并辅以DMA、变温FTIR、变温XRD等测试手段，全面地研究PAN纤维的分子链构象及聚集态结构。研究结果表明：1.利用傅里叶红外测试方法可以表征构象统计量的多少，定义C=I1230/I1250，当C值增大时，说明31螺旋链构象统计量增加；反之，说明平面锯齿构象统计量增加；2.随着纺丝过程的进行，平面锯齿构象统计量增加；3.在凝固相分离过程，无论是凝固浴浓度增加、凝固温度升高还是凝固张力增加，均促使凝固速率减缓，31螺旋链构象统计量增加，并促使（100）晶面间距增大，晶型几乎不变，晶粒尺寸增大；4.在取向过程，PAN纤维大分子构象均随着张力场的增加，平面锯齿构象统计量增加，并促使（100）晶面间距减小，晶型几乎不变，晶粒尺寸增大，取向度增大；5.纤维无论在制备热场下或者环境热场下，均随着环境温度场的升高，31螺旋链构象统计量增加，使得（100）晶面间距增大，晶型未发生明显变化，晶粒尺寸增大。通过本论文的研究，探讨了纺丝过程中PAN大分子构象的演变及其对聚集态结构的影响，确定了各外场条件下PAN大分子构象的演变，揭示了PAN大分子构象演变与聚集态结构转变之间的关系，为后续预氧化过程的进行打下结构基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 聚丙烯腈基碳纤维制备过程
• 1.2.1 聚丙烯腈原丝制备过程
• 1.2.2 聚丙烯腈纤维的低温热处理（预氧化）过程
• 1.2.3 聚丙烯腈纤维的碳化过程
• 1.3 纺丝过程中外场因素对 PAN 纤维分子凝聚态结构的影响
• 1.3.1 分子凝聚态结构
• 1.3.2 分子链结构（分子链构象）
• 1.3.3 聚集态结构
• 1.4 本文的研究目的意义和内容
• 第二章 实验部分
• 2.1 主要原料
• 2.2 实验方案
• 2.2.1 实验样品的制备
• 2.2.2 实验结果分析思路
• 2.3 相关测试表征手段
• 2.3.1 红外光谱测试（FT-IR）
• 2.3.2 X 射线衍射测试（XRD）
• 2.3.3 热机械分析法测试（DMA）
• 2.3.4 变温 X 射线衍射测试
• 2.3.5 变温热台红外测试
• 第三章 结果与讨论
• 3.1 PAN 纤维制备过程中分子链构象的特征
• 3.1.1 PAN 纤维大分子构象及其表征方法的研究
• 3.1.2 纺丝过程中 PAN 纤维分子链构象的演变特征
• 3.1.3 小结
• 3.2 凝固相分离过程 PAN 大分子构象演变规律研究
• 3.2.1 浓度效应对凝固相分离过程分子链构象演变的影响
• 3.2.2 温度效应对凝固相分离过程分子链构象演变的影响
• 3.2.3 张力效应对凝固相分离过程分子链构象演变的影响
• 3.2.4 凝固相分离过程中 PAN 大分子构象演变机理
• 3.2.5 小结
• 3.3 张力场对 PAN 大分子构象演变的影响
• 3.3.1 一级玻璃化转变温度下 PAN 大分子构象演变规律的研究
• 3.3.2 二级玻璃化转变温度下 PAN 大分子构象演变规律的研究
• 3.3.3 小结
• 3.4 PAN 大分子构象演变对聚集态结构转变的影响
• 3.4.1 相分离过程 PAN 大分子构象演变对聚集态结构转变的影响
• 3.4.2 取向过程中 PAN 大分子构象演变对聚集态结构转变的影响
• 3.4.3 小结
• 3.5 热环境下 PAN 大分子构象及聚集态结构特征
• 3.5.1 制备热环境下 PAN 纤维大分子构象及聚集态结构特征
• 3.5.2 环境热场对 PAN 原丝大分子构象及聚集态结构特征的影响
• 3.5.3 小结
• 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
• 硕士研究生学位论文答辩委员会决议书