共聚单体对聚丙烯腈预氧化的影响

摘要

高强度、高模量的碳纤维已经普遍应用于高科技、化工、交通等重要领域，其中聚丙烯腈(PAN)基碳纤维的产量最大，且产品性能较好，因此得到了广泛的研究与应用。预氧化是聚丙烯腈基碳纤维生产过程中一个重要的中间过程，它是原丝转化成碳纤维的桥梁，更是影响碳纤维产品质量的重要工艺。所以，许多研究者致力于研究预氧化过程中纤维结构与性能的变化及其影响因素。本文选用衣康酸（IA）、丙烯酸甲酯(MA)、丙烯酰胺（AM）为共聚单体，采用水相沉淀聚合法，合成PAN均聚物及其共聚物。并探讨了共聚单体的存在对PAN聚合物预氧化的影响。
　　由热处理过程中PAN聚合物的颜色图可知，聚合物内部已经发生了一些化学反应。红外分析结果表明:预氧化期间聚合物先后发生氧化、环化、脱氢反应。FTIR和DSC分析表明衣康酸和丙烯酰胺共聚单体都能有效促进预氧化反应，衣康酸的效果尤为显著，而丙烯酸甲酯共聚单体却抑制PAN聚合物预氧化反应的进行。根据红外光谱数据计算预氧化反应程度可以得出以下结论:含有不同共聚单体的共聚物发生预氧化反应的顺序为:P(AN-co-IA)＞P(AN-co-AM)＞PAN＞P(AN-co-MA)。
　　由DSC分析可知，P(AN-co-IA)中衣康酸的引入使DSC峰明显变宽，并且有效降低环化反应的初始放热温度和放热速率，缓解了集中放热反应。衣康酸加入量增加时，DSC放热峰变宽，放热速率随之降低。通过Kissinger和Ozawa法得出Ea，与PAN均聚物相比，共聚物中衣康酸的存在能显著降低环化反应的活化能，说明共聚物比均聚物更具有动力学方面的优势。低温条件下，环化反应的Ea值随衣康酸含量的增加逐渐降低，然而高温条件下Ea却随衣康酸的增加而增大。

目录

摘要

主要符号表

第一章 绪论

1．1 碳纤维简介

1．1．1 碳纤维的发展简史

1．1．2 碳纤维的应用

1．2 聚丙烯腈基碳纤维的发展历程

1．3 聚丙烯腈基碳纤维的制备

1．4 聚丙烯腈合成的研究

1．4．1 共聚单体的选择

1．4．2 常用的合成方法

1．5 聚丙烯腈的预氧化工艺

1．6 预氧化过程中聚丙烯腈的化学反应

1．6．1 环化反应

1．6．2 氧化反应

1．6．3 脱氢反应

1．7 研究方法及内容

第二章 实验原料与方法

2．1 实验原料

2．2 实验设备

2．3 聚丙烯腈的合成

2．3．1 水相沉淀聚合

2．4 测试与表征

2．4．1 傅里叶变换红外光谱

2．4．2 差示扫描量热分析

2．4．3 热重分析

第三章 共聚单体的种类及含量对聚丙烯腈预氧化的影响

3．1 前言

3．2 共聚单体种类对聚丙烯腈热行为及结构的影响

3．2．1 共聚物的化学结构表征

3．2．2 共聚单体对聚丙烯腈热行为的影响

3．2．3 预氧化过程中聚丙烯腈的颜色与结构变化

3．2．4 聚丙烯腈的预氧化反应程度

3．3 衣康酸含量对聚丙烯腈环化反应动力学的影响

3．3．1 P(AN-co-IA)共聚物的化学结构表征

3．3．2 化学结构转变分析

3．3．3 衣康酸含量对聚丙烯腈放热行为的影响

3．3．4 环化反应动力学研究

第四章 结论

致谢

参考文献

作者简介

硕士学位期间研究成果

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