腈纶的改性及其在预氧化过程纤维阻燃性能的关联性研究

论文摘要

以民用腈纶为前驱体制备大丝束炭纤维已经成为当今世界炭纤维产业发展的一个重要方向。预氧化是炭纤维制备工艺中的一个中间工序,也是影响炭纤维产品质量和产量的关键工序之一。并且预氧化纤维也可作为一个独立产品用于纺织后加工,生产各类阻燃织物与服装,如炼钢服、消防服、防化服等；也可用作耐热材料、耐腐蚀材料、过滤材料、密封材料等。开展大丝束预氧纤维制备研究,无论对制造大丝束炭纤维还是用于纺织后加工都具积极意义。利用民用腈纶制备的阻燃纤维在限氧指数方面弱于炭纤维专用聚丙烯腈（PAN）原丝制备的阻燃纤维。而炭纤维专用原丝的成本较高,对于腈纶阻燃纤维的推广应用造成了一定阻碍。因此一些相关公司寻求选择成本较低的民用腈纶制备阻燃纤维的途径。然而,目前国内利用民用腈纶制备阻燃纤维的技术存在一定的技术缺陷,主要表现在两个方面：（1）腈纶预氧化的过程中大量集中放热,造成纤维熔并变硬、甚至断裂等现象,使力学性能降低；（2）当前设备在腈纶的均匀预氧化方面还有很多不足。由于腈纶大分子中含有腈基基团,其具有较高的反应活性,可以通过化学及物理手段对民用腈纶进行改性,以达到改善其放热性能,提高纤维阻燃性能的目的。同时,本课题将利用本实验室的炭纤维原丝专用预氧化设备,以改性腈纶为前驱体进行制备阻燃纤维的研究。实验中对腈纶及其改性纤维的密度、直径、力学性能、热学性能和限氧指数（LOI）等参数进行了表征测试。通过对未改性腈纶与不同改性条件下的改性丝,和未改性丝与改性纤维制得的预氧丝的对比研究,得出如下结论：1)经过Gxj-1改性的纤维在预氧化过程中放热峰加宽、放热起始温度提前,放热集中的现象明显减弱。同时纤维的力学性能、密度均获得不同程度的提高。2)连续化实验筛选出的最优化工艺条件为：改性剂浓度8%,改性温度90℃,改性时间3min,各预氧炉温度为215/235/258/282℃。腈纶预氧化时的集中放热现象得到缓解,最终制备的阻燃纤维拉伸强度达到0.25GPa,限氧指数达到40以上。在目前的设备基础上可进行扩大生产实验,该研究课题具有广阔的工业应用前景。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 炭纤维以及大丝束炭纤维概述
• 1.1.1 大丝束炭纤维及其特点
• 1.1.2 大丝束炭纤维发展概况
• 1.1.3 大丝束炭纤维的应用前景
• 1.2 腈纶的差别化应用的现状与趋势
• 1.3 热氧化法制备阻燃纤维
• 1.3.1 PAN纤维的燃烧性能
• 1.3.2 热氧化法制备阻燃腈纶
• 1.4 PAN基预氧纤维的形成过程
• 1.4.1 PAN基预氧纤维的制备
• 1.4.1.1 PAN基预氧纤维的制备工艺流程
• 1.4.1.2 PAN纤维的合成及结构
• 1.4.1.3 PAN原丝性能的提高
• 1.4.2 PAN纤维在预处理过程中的热化学反应
• 1.4.3 PAN原丝的预氧化过程机理
• 1.4.4 预氧纤维性能的影响因素
• 1.5 PAN大丝束研究中存在的问题
• 1.6 本选题的立论意义
• 1.7 主要研究内容
• 1.7.1 原丝改性的研究
• 1.7.2 预氧化工艺的改进
• 1.8 思路与研究方法
• 1.8.1 间歇实验阶段
• 1.8.2 连续化实验
• 1.9 本课题具体实验内容
• 第二章 实验部分
• 2.1 实验原料及设备
• 2.1.1 实验所用纤维
• 2.1.2 主要试剂
• 2.1.3 实验设备
• 2.2 实验方法
• 2.2.1 间歇实验流程
• 2.2.2 连续化实验内容
• 2.3 测试
• 第三章 结果与讨论
• 3.1 改性剂的筛选结果
• 3.1.1 不同改性剂对预氧纤维热性能的影响
• 3.1.1.1 不同改性剂对上海12k腈纶的热性能影响
• 3.1.1.2 不同改性剂对抚顺24k大丝束丙烯腈纤维热性能的影响
• 3.1.2 不同改性剂对上海12k腈纶表面结构的影响
• 3.1.3 不同改性剂对上海纤维力学性能的影响
• 3.2 Gxj-1改性间歇实验结果与讨论
• 3.2.1 改性液浓度对腈纶性能的影响
• 3.2.2 改性时间对腈纶性能的影响
• 3.2.3 改性温度对于腈纶性能的影响
• 3.3 连续化实验
• 3.3.1 预氧炉炉温的设定
• 3.3.1.1 改性纤维与为改性纤维外观对比
• 3.3.1.2 预氧化温度对各段预氧化纤维密度的影响
• 3.3.1.3 预氧化温度对预氧化纤维拉伸强度的影响
• 3.3.2 预氧化时间的优化
• 3.3.3 预处理牵伸的优化
• 3.3.3.1 不同预处理牵伸条件对改性预氧丝抗张强度的影响
• 3.3.3.2 不同预处理牵伸条件对预氧丝密度的影响
• 3.3.3.3 4%预牵伸改性丝与未改性预氧丝抗张强度对比
• 3.3.3.4 4%预牵伸改性丝与未改性预氧丝直径对比
• 3.3.3.5 4%预牵伸改性丝与未改性丝密度对比
• 3.3.4 预氧化纤维阻燃性能
• 3.3.4.1 预氧纤维密度与限氧指数的关系
• 3.3.4.2 预氧纤维强度与限氧指数的关系
• 第四章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 研究成果及发表的学术论文
• 作者和导师研究成果及发表的学术论文简介
• 附件