聚丙二醇共混聚丙烯腈原丝和预氧丝的制备及其结构与性能研究

论文摘要

聚丙烯腈基（PAN）碳纤维是一种具有高强、高模、耐高温、耐腐蚀等一系列优异性能的原材料,是碳纤维中用途最广泛、发展前景最好的一种。近十年来,我国聚丙烯腈基碳纤维工业迅猛发展,但性能一直落后于先进世界水平,其中一个关键因素是国内生产的原丝性能不过关。专家们认为通过溶液共混的方法来改性PAN原丝是提高碳纤维性能的一种有效手段。聚丙二醇（PPG）是一种无毒无害的含有羟基的大分子化合物。本论文利用聚丙二醇（PPG）与PAN进行溶液共混,以调控纤维致密性,减少纤维内部孔洞,提高碳纤维的力学性能。本论文主要开展了以下几个方面的研究工作：1、采用溶液共混法制备了PAN/PPG复合溶液,并对溶液的静态和动态流变特性进行测试和分析。静态流变实验结果表明,PAN/PPG复合溶液呈现非牛顿型切力变稀现象。在一定浓度和剪切速率下,随着PPG含量增加,原液体系的粘度降低,粘流活化能增大,非牛顿指数变大,结构粘度指数变小；动态流变实验结果表明,动态流变曲线与静态流动曲线相似。随着温度的提高或PAN固含量的降低,复数粘度下降。同时,复数粘度还都随着角频率的增大或PPG含量的增加而下降。随着PAN原液体系温度的提高或加入PPG,储能模量（G′）和损耗模量（G″）的交点向较高的角频率方向移动,说明在同样的角频率下原液倾向于保持流动状态。这些结果对后续的纺丝成型具有很好的指导意义。2、采用干湿法纺制了聚丙烯腈初生纤维和原丝,通过光学显微镜、XRD、FTIR、TGA和力学性能测试对初生纤维和原丝的结构、形态和性能进行了研究。结果表明,适量添加PPG有助于初生纤维截面成圆形,同时还有利于提高初生纤维和原丝的结晶度；原丝中3442cm-1附近的O-H伸缩振动峰变的更强并向低波区移动,表明PPG与PAN之间可以形成氢键；PPG的加入对PAN纤维的热性能影响不大,尚不足使放热峰有效宽化,但可以改善原丝的力学性能。总体来说,PPG的添加量为2wt%时,纤维综合性能最好。3、对2wt%PPG改性后的原丝和未改性的原丝进行了预氧化和碳化处理,并利用SEM、FTIR、TGA、元素分析仪和力学性能测试对所得预氧丝和碳丝的形貌、结构和性能进行了探讨。结果表明,改性后的预氧丝比未改性的预氧丝表面更均匀、致密,同时还减少纤维中的孔洞,获得内部均匀的碳丝；随着预氧化温度的升高,预氧丝中C≡N、C-H等基团含量不断减少；同时,环化结构的吸收峰增强；无论是否添加PPG改性,PAN纤维在预氧化阶段C、H、N的含量都略有减低,而O元素含量则大幅提高；预氧丝的热性能基本相同；但适量加入PPG后,提高了预氧丝和碳丝的力学性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外聚丙烯腈基碳纤维的发展历史
• 1.3 聚丙烯腈基碳纤维的制备
• 1.3.1 共聚组分
• 1.3.2 溶剂
• 1.3.3 纺丝方法
• 1.3.4 初生纤维的后处理
• 1.3.5 PAN原丝的预氧化
• 1.3.6 PAN预氧丝的碳化
• 1.4 原丝性能对碳纤维性能的影响
• 1.4.1 原丝截面形状对碳纤维性能的影响
• 1.4.2 原丝纤度对碳纤维性能的影响
• 1.4.3 原丝杂质和缺陷对碳纤维性能的影响
• 1.5 国内聚丙烯腈基原丝的现状和发展对策
• 1.5.1 国内聚丙烯腈基原丝存在的问题
• 1.5.2 国内聚丙烯腈基原丝的发展对策
• 1.6 聚丙烯腈基原丝预氧化的反应机理
• 1.7 共混改性制备聚丙烯腈纤维的研究进展
• 1.8 课题的提出及研究内容
• 参考文献
• 第二章 PAN/PPG原液的制备及其流变行为
• 2.1 引言
• 2.2 实验
• 2.2.1 原料及试剂
• 2.2.2 PAN/PPG原液的配制
• 2.2.3 纺丝溶液的流变测试
• 2.3 从静态流变性能分析PAN/PPG体系非牛顿行为
• 2.3.1 温度对流动曲线的影响
• 2.3.2 PAN浓度对流变曲线的影响
• 2.3.3 不同PPG含量对流变曲线影响
• 2.3.4 剪切速率对溶液流变曲线的影响
• 2.3.5 粘流活化能
• 2.3.6 非牛顿指数
• 2.3.7 结构粘度指数
• 2.4 从动态流变性能分析PAN/PPG体系粘弹性行为
• 2.4.1 温度对PAN体系复数粘度的影响
• 2.4.2 浓度对PAN体系复数粘度的影响
• 2.4.3 角频率和PPG含量对PAN体系复数粘度的影响
• 2.4.4 PAN/PPG共混原液粘弹性的表征
• 2.5 本章小结
• 参考文献
• 第三章 PPG改性PAN原丝的纺制及其结构与性能表征
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 原料及试剂
• 3.2.2 PPG改性聚丙烯腈纺丝原液的制备
• 3.2.3 PAN初生纤维和原丝的制备
• 3.2.4 测试和表征
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 PPG对初生纤维截面形貌的影响
• 3.3.2 PPG对初生纤维晶态结构的影响
• 3.3.3 改性原丝的XRD分析
• 3.3.4 改性原丝的FTIR分析
• 3.3.5 改性原丝的TGA分析
• 3.3.6 改性原丝的力学性能分析
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第四章 PPG改性PAN原丝的预氧化和碳化
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 原丝的预氧化和碳化
• 4.2.2 测试和表征
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 预氧丝表面形态分析
• 4.3.2 红外分析预氧化过程的分子结构
• 4.3.3 预氧化和碳化过程中化学组分变化
• 4.3.4 预氧丝的TGA分析
• 4.3.5 碳丝截面形态分析
• 4.3.6 力学性能分析
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第五章 结论
• 在校期间发表学术论文目录
• 致谢
• 一学位论文修改说明