聚丙烯腈原丝凝固成形与形貌结构研究

摘要

碳纤维具有一系列优异性能,已被广泛应用于各个领域,聚丙烯腈(PAN)基碳纤维由于具有多种优势从而迅速成为当今碳纤维工业生产中的重要品种之一。但是我国PAN基碳纤维质量与国外差距巨大,主要是因为PAN原丝质量不过关。众所周知,高性能原丝是制备高质量碳纤维的前提,而原丝的性能除了取决于原丝的化学结构、结晶(蕴晶)和大分子取向结构外,还取决于纤维的形貌结构。在纤维成型过程中,尽管其微观组织结构不断演变和转化,但所出现的形貌结构的缺陷很可能一直遗传到碳纤维中,所以在纺丝过程中要尽量避免形貌结构缺陷的引入,这样才能制备理想的优质原丝。因此,只有清楚地阐明湿法、干湿法纺丝过程中PAN原丝凝固过程对形貌结构的形成和演变机理及其对性能的影响,才能更好地预测纤维的结构与性能,并为深入研究提供更大的空间。本论文主要分为两大部分:
　　第一部分:采用梯级凝固成型的方法研究了PAN原丝成型过程中的热力学途径和原丝形貌结构的形成,深入阐明了纺丝凝固条件控制与截面形貌、皮芯结构的特点及其对原丝物理机械性能的关系,探讨了PAN-DMSO-H2O体系中湿法、干湿法热力学成型路径对PAN原丝结构与性能的影响;
　　第二部:分通过研究纺丝成型条件及后续工艺对原丝微孔的影响,阐述了原丝孔隙形成的机理,并进一步解释了后续工艺对原丝内开放和闭合孔隙演变的影响。通常从纤维结构就能推断纤维的物理性能,并确定由不同纺丝工艺条件引起的纤维性能差异。第二章和第三章分别采用湿法、干湿法进行纺丝,通过调节纺丝凝固条件控制相分离途径,得到了不同条件下成型的原丝。用组分测定的方法分析了其成型热力学路径,同时分析了PAN原丝的截面形貌、皮芯结构的特点及其对物理机械性能的影响,用相图分析的方法证明,梯级凝固成型路线是较优的热力学路线。在第四章采用实验方法研究了梯级凝固成型后的原丝中孔隙的形成和演变。研究表明原丝的孔隙主要形成在凝固成型的阶段,在经过牵伸、干燥致密化、蒸汽拉伸等阶段后,原丝的孔隙呈现减小的趋势,原丝内闭孔和开孔分别在拉伸和干燥致密化后大量闭合和消失。
　　本论文深入研究了PAN纤维成型过程中梯级凝固成型的机理,以及纺丝工艺条件对PAN原丝形貌结构及性能的影响,全面深入的了解了不同体系的湿法、干湿法纺丝工艺条件、成形机理、结构、性能以及它们之间的必然联系,为优质碳纤维原丝的工业化制备奠定了重要的基础。

目录

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 前言

1.2 碳纤维的发展概述

1.2.1 国外碳纤维的发展历史

1.2.2 国内碳纤维的发展历史

1.3 PAN原丝的研究现状及关键问题

1.4 PAN基碳纤维的制备工艺

1.5 PAN基碳纤维原丝的纺丝方法

1.5.1 湿法纺丝

1.5.2 干法纺丝

1.5.3 干湿法纺丝

1.5.4 熔融纺丝

1.5.5 冻胶纺丝

1.6 PAN基碳纤维原丝凝固成型与相分离机理

1.6.1 纺丝成形中纺丝原液组成的变化

1.6.2 浓度致变相分离机理

1.6.3 热致变相分离机理

1.7 原丝形貌结构与性能的关系

1.7.1 原丝致密化与碳纤维性能的关系

1.7.2 原丝纤度与碳纤维性能的关系

1.7.3 原丝的缺陷与碳纤维性能的关系

1.8 课题的选择及解决的问题

1.8.1 研究方向、目的及意义

1.8.2 研究内容

参考文献

第二章 PAN基原丝湿法梯级凝固成型的研究

2.1 实验部分

2.1.1 原料

2.1.2 纺丝原液的制备

2.1.3 PAN纤维的制备

2.1.4 初生纤维凝固时间的控制

2.1.5 测试与表征

2.2 结果与讨论

2.2.1 PAN聚合体溶解制备的过程

2.2.2 凝固浴浓度的校准

2.2.3 纺丝成型的热力学

2.2.4 梯级凝固条件对初生纤维截面形状的影响

2.2.5 初生纤维的微观形貌与皮芯结构

2.2.6 PAN原丝的物理机械性能

2.3 结论

参考文献

第三章 PAN原丝干湿法梯级凝固成型的研究

3.1 实验部分

3.1.1 原料

3.1.2 纺丝原液与PAN纤维的制备

3.1.3 测试与表征

3.2 结果与讨论

3.2.1 干湿法梯级凝固的热力学成型路径

3.2.2 干湿法梯级成型纤维的形貌结构

3.2.3 PAN原丝的物理机械性能

3.2.4 纤维的结晶度和取向度

3.3 结论

参考文献

第四章 PAN原丝成型过程中孔隙结构的形成与演变的研究

4.1 实验部分

4.1.1 原料

4.1.2 PAN原液的制备

4.1.3 测试与表征

4.2 结果与讨论

4.2.1 纺丝方法对孔隙的影响

4.2.2 纺丝中凝固浴对原丝孔隙的影响

4.2.3 凝固浴中初生纤维孔隙的形貌结构

4.2.4 PAN原丝孔隙的微观形貌

4.2.5 PAN原丝物理机械性能测试

4.2.6 PAN原丝BET吸附测试

4.2.7 PAN原丝的热学性能

4.3 结论

参考文献

第五章 总结与展望

5.1 主要结论

5.2 研究展望

攻读硕士期间已发表或录用的论文

致谢