聚丙烯腈纤维纺丝成形机理及工艺相关性研究

摘要

在PAN基碳纤维的生产制备中，作为PAN原丝纺丝过程的第一步，纤维的凝固成形是决定碳纤维性能的关键。针对自制PAN原丝的纺丝成形过程展开基础性科学研究，深入了解PAN纤维在凝固成形过程中的物理化学变化，明确结构的演变规律，探讨成形工艺、结构及性能的相互关系，为高性能碳纤维的制备提供理论指导。本文针对PAN原丝的凝固成形过程，在PAN原丝的纺丝实验线上开展一系列的试验，利用RS75流变仪、差示扫描量热仪（DSC）、热重分析仪（TG）、傅立叶变换红外光谱仪（FTIR）、元素分析仪（EA）、X射线衍射仪（XRD）、电子探针（EMPA）、扫描电镜（SEM）、高分辨透射电镜（HRTEM）及动态力学分析仪（DMA）等测试技术，在确定PAN纤维凝固成形工艺并制备出高性能PAN原丝的基础上，对PAN纤维的凝固成形机理、凝固条件以及热性能与断裂行为等进行全面深入的研究，并探讨了纺丝工艺对PAN纤维性能的影响。 在对PAN纺丝溶液流变学性质的分析和研究中发现，共聚物的分子量和溶液浓度大小对溶液体系的粘性、弹性及稳定性等有明显影响。分子量越高，浓度越大，PAN溶液粘度越大，结构化程度越高，非牛顿性越强，物理稳定性越差，非牛顿指数越低，弹性模量越高，拟形成的弹性网络结构更为致密，但均未形成稳定的弹性网络结构。在实际凝固成形阶段纺丝溶液流动的温度范围（60-80℃）内，温度的变化对中低分子量的溶液粘度影响较大，而高分子量（100万）的溶液粘度对温度的变化不敏感。 本文利用Fick定律，采用Bessel函数等求解了湿法纺丝过程中PAN/DMSO溶液体系在凝固浴（DMSO/H2O体系）中的扩散方程，计算了扩散系数，并讨论了凝固条件对扩散过程的影响。研究发现，在湿法纺丝中，溶剂和凝固剂的扩散系数均随凝固浴温度的升高而增大，随凝固浴浓度的升高而降低，随凝固浴牵伸比的增大而增大，随原液中聚合物浓度的提高而下降。扩散缓和度随温度升高而下降，随凝固浴浓度的升高变化较小，随凝固浴牵伸比的增大而增大，随原液中聚合物浓度的提高而增大。 利用XRD、SEM、纤维细度仪以及纤维强伸力仪等，研究了PAN初生纤维成形过程中的组织结构变化以及凝固浴条件对初生纤维的影响，获得了湿法纺丝过程中的最优凝固浴条件。随着凝固浴浓度的升高，初生纤维的横截面形状逐渐趋于规则的圆形，在浓度介于60-70wt％时，横截面形状变化不大；随着凝固浴浓度的增加，初生纤维及相应原丝的结晶度先升高后降低，在浓度为65wt％时，结晶度最大，残留溶剂含量较低。随着凝固浴温度的升高，初生纤维及相应原丝的结晶度增大，初生纤维的残留溶剂含量不断降低，在温度高于55℃后，残留溶剂含量的变化较小；凝固浴温度从50℃升高到60℃的过程中，初生纤维的横截面由腰子形逐渐变为规则的圆形，温度继续升高到70℃，圆形横截面形状崩溃，且有粘丝和并丝现象发生。随着凝固浴负牵伸的增加，初生纤维及相应原丝的结晶度不断降低，初生纤维内部的残留溶剂含量不断下降，在负牵伸增加到-20％以后，残留溶剂的含量变化较小，初生纤维的横截面形状逐渐趋于规则、均匀，初生纤维表现出更好的韧性；但是过高的负牵伸不利于高性能PAN原丝的制备，尤其是趋于0％时的牵伸会造成初生纤维的断丝现象。随着凝固浴长度的增加，在从15cm升高到90cm的过程中，初生纤维的结晶度不断增大，残留溶剂含量不断降低，在凝固浴长度升高到75cm以后，结晶度和残留溶剂含量的变化不再明显，初生纤维的横截面形状趋于圆形，直径不断降低且离散系数变小。在湿法纺丝中，采用溶液聚合，粘均分子量为16万，原液固含量为21wt％，凝固浴表观负牵伸为-10％，凝固浴温度为60℃，凝固浴浓度为65wt％时，可得到均匀性高、截面为圆形、性能优良的初生纤维，得到的原丝纤度在1.04dtex左右，强度高达7.50cN/dtex，最终碳纤维强度可达3.86GPa。 在干喷湿纺过程中，空气层的存在改善了原液细流在凝固浴中双扩散的情况，抑制了凝固剂水和溶剂DMSO的快速扩散，有利于初生纤维均匀结构的形成，实验得到了合理的干喷湿纺工艺。随着空气层厚度的增加，凝固浴牵伸的增大，凝固浴长度的增加，初生纤维的结晶度不断增大；随着凝固浴浓度的升高，当凝固浴浓度到达80wt％时，初生纤维表现出疏松且均匀的横截面，截面形状呈现规则的圆形；随着凝固浴牵伸的增大初生纤维的直径不断减小，横截面逐步趋向致密；随着凝固浴牵伸的不断增加，初生纤维的断裂强度不断增大、断裂延伸率逐渐降低，表现出更高的密度、更低的孔隙率。在干喷湿纺中，采用水相沉淀聚合，粘均分子量为23万，原液固含量为18wt％，空气层厚度为3mm，凝固浴牵伸为+130％，凝固浴温度为20℃，凝固浴浓度为80wt％时，可得到组织均匀、横截面形状为圆形、性能优良的初生纤维，得到的原丝纤度在1.01dtex左右，强度高达7.52cN/dtex以上。 利用DSC、TG、FTIR、EPMA等表征了初生纤维不同凝固条件下的热性能、化学结构变化和断裂行为。结果表明：随着凝固浴牵伸的增加以及干喷湿纺中空气层厚度的升高，初生纤维的放热量增大，热稳定性提高；随着凝固浴长度的增加，初生纤维表现出更高的放热量，但当长度增到一定范围（>75cm）后，初生纤维的结构趋于稳定，放热量变化微小。在湿法纺丝和干喷湿纺下，初生纤维在牵伸过程中均表现出明显的“颈缩”现象，但是湿纺纤维的组织结构较为致密并表现出难以消除的皮芯结构，干喷湿纺纤维表现出较为疏松但均匀的组织结构。在较慢的牵伸速率下，初生纤维的断口表现出明显的韧性断裂特征，在较快的牵伸速率下，初生纤维的断裂特征不明显。从化学结构上看，在波数950-1050cm-1附近，DMSO中S=O的特征峰与PAN的指纹区的叠加出现明显的双峰，其中，950cm-1附近的峰变化最大，是初生纤维后续处理工艺DMSO含量的变化依据。 利用DMA、SEM以及XRD等分析了纺丝工艺对纤维结构和性能的影响，优化了工艺参数。研究发现：多级凝固浴牵伸的存在有利于纤维结构的致密和力学性能的提高：沸水牵伸和蒸汽牵伸倍数的提高，有利于PAN纤维内部结构获得稳定而巩固的取向，提高其机械性能；致密化温度的升高或时间的延长，有利于结晶度的增大。随着纺丝工艺的不断进行，PAN纤维的结晶度不断增大，残留溶剂的含量不断降低。通过对比正常水洗和直接水洗的初生纤维发现，前者残留溶剂的含量较低，在红外图谱中950cm-1附近的峰不明显；后者残留溶剂含量较多且结构疏松，不利于预氧化工艺的进行。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：符号说明

声明

本文创新和主要贡献

第一章绪论

1.1当今PAN基碳纤维工业的研究现状

1.2 PAN基碳纤维制备工艺概述

1.3 PAN原丝成形过程的研究现状及存在问题

1.3.1 PAN纤维凝固成形的研究

1.3.2 PAN纤维纺丝工艺的研究

1.3.3 PAN纤维结构和性能的研究

1.3.4 PAN纤维性能提高的途径

1.3.5存在的问题

1.4本文的研究目的意义和研究内容

参考文献

第二章实验材料与实验方法

2.1实验材料

2.2实验设备

2.3 PAN原丝及碳纤维的制备

2.3.1聚合方法

2.3.2纺丝方法

2.3.3纺丝工艺

2.3.4原丝的预氧化和碳化

2.4技术路线

2.5测试与表征方法

2.5.1溶液流变性能的测定

2.5.2粘均分子量的测定

2.5.3溶液浓度的测定

2.5.4 X射线衍射

2.5.5初生纤维S元素含量的测定

2.5.6初生纤维溶剂残留量的测定

2.5.7纤维密度及孔隙率测试

2.5.8电子探针

2.5.9扫描电镜

2.5.10透射电镜

2.5.11物理机械性能测试

2.5.12动态力学分析

2.5.13热分析

2.5.14红外光谱

参考文献

第三章纺丝溶液的流变性研究

3.1前言

3.2实验过程

3.2.1 PAN共聚物的制备

3.2.2 PAN溶液的制备

3.3不同分子量PAN溶液的稳态流变行为

3.3.1 PAN溶液的静态流动曲线

3.3.2非牛顿指数与分子量、切变速率的关系

3.3.3 PAN溶液的粘温曲线

3.3.4结构粘度指数

3.4不同分子量PAN溶液的动态流变行为

3.4.1 PAN溶液的动态流变行为

3.4.2 PAN溶液的弹性行为研究

3.5不同浓度PAN溶液的稳态流变行为

3.5.1不同浓度溶液的静态流动曲线

3.5.2不同浓度下非牛顿指数与切变速率的关系

3.5.3 PAN溶液的粘温曲线

3.5.4结构粘度指数

3.6不同浓度PAN溶液的动态流变行为

3.7本章小结

参考文献

第四章初生纤维凝固成形机理性研究

4.1前言

4.2 PAN原液细流的成形过程

4.2.1 PAN原液的入口效应

4.2.2原液在喷丝孔道内流动弹性行为

4.2.3 PAN原液细流的出口膨胀效应

4.2.4原液细流在牵伸作用力下的拉细行为

4.3 PAN原液细流的凝固成形

4.3.1扩散模型简介

4.3.2扩散系数的理论计算

4.3.3扩散系数的实验测定

4.4凝固条件对扩散的影响

4.4.1凝固时间对双扩散的影响

4.4.2凝固浴温度对双扩散的影响

4.4.3凝固浴浓度对双扩散的影响

4.4.4凝固浴牵伸对双扩散的影响

4.4.5纺丝原液浓度对双扩散的影响

4.5干喷湿纺与湿纺在凝固成形过程的差异

4.5.1干喷湿纺的凝固成形过程

4.5.2干喷湿纺的设备及工艺参数

4.6本章小结

参考文献

第五章凝固条件对初生纤维结构及性能的影响

5.1前言

5.2湿纺初生纤维的实验制备过程

5.3凝固浴浓度对初生纤维结构和性能的影响

5.3.1凝固浴浓度对初生纤维结晶度的影响

5.3.2凝固浴浓度对初生纤维残留溶剂含量的影响

5.3.3凝固浴浓度对初生纤维截面形貌的影响

5.3.4凝固浴浓度对PAN原丝力学性能的影响

5.4凝固浴温度对初生纤维结构和性能的影响

5.4.1凝固浴温度对初生纤维结晶度的影响

5.4.2凝固浴温度对初生纤维残留溶剂含量的影响

5.4.3凝固浴温度对初生纤维横截面形貌的影响

5.4.4凝固浴温度对PAN原丝力学性能的影响

5.5凝固浴牵伸对初生纤维结构和性能的影响

5.5.1凝固浴牵伸对初生纤维结晶度的影响

5.5.2凝固浴牵伸对初生纤维残留溶剂含量的影响

5.5.3凝固浴牵伸对初生纤维横截面形貌的影响

5.5.4凝固浴牵伸对初生纤维力学性能的影响

5.6凝固浴长度对初生纤维结构和性能的影响

5.6.1凝固浴长度对初生纤维结晶度的影响

5.6.2凝固浴长度对初生纤维残留溶剂含量的影响

5.6.3凝固浴长度对初生纤维横截面形貌的影响

5.6.4凝固浴长度对初生纤维力学性能的影响

5.7干喷湿纺对初生纤维结构和性能的影响

5.7.1干喷湿纺中初生纤维的结晶行为

5.7.2干喷湿纺中初生纤维的截面形状

5.7.3干喷湿纺中初生纤维的力学性能

5.8本章小结

参考文献

第六章初生纤维的热性能及断裂行为研究

6.1前言

6.2初生纤维热性能的研究

6.2.1初生纤维DSC性能的研究

6.2.2初生纤维TG性能的研究

6.3初生纤维断裂行为的研究

6.3.1初生纤维断裂形貌的研究

6.3.2牵伸速率对初生纤维的影响

6.3.3初生纤维缺陷的研究

6.4初生纤维化学结构的研究

6.5残留溶剂及水含量对初生纤维断裂性能的影响

6.6本章小结

参考文献

第七章PAN纤维纺丝工艺研究

7.1前言

7.2纤维牵伸工艺研究

7.2.1纤维牵伸机理探讨

7.2.2 PAN的玻璃化转变

7.2.3多级凝固浴牵伸

7.2.4沸水牵伸

7.2.5蒸汽牵伸

7.3纤维致密化工艺研究

7.3.1纤维致密化工艺原理探讨

7.3.2致密化工艺对纤维的影响

7.4纤维纺丝工艺过程研究

7.5本章小结

参考文献

第八章结论

致谢

攻读博士学位期间发表的学术论文目录

发表论文一

发表论文二

参与科研项目及获奖情况