改性MF/PAN纤维的制备及性能研究

摘要

三聚氰胺甲醛（MF）纤维，是一种不含卤素、环境友好型的阻燃材料，由于其低的热导率，燃烧时不释放有毒烟气，在火焰或高温中收缩率低，而引起人们的广泛关注。但MF本身极易交联形成网状结构，使其具有硬度大和脆性大的缺点，导致其纺丝性能较差，因此需对MF进行成纤性能改性。聚丙烯腈(PAN)湿法纺丝工艺成熟，纤维韧性较好，本文采用PAN作为成纤辅助剂与MF共混进行湿法纺丝，制备MF/PAN纤维，并对MF进行改性以提高MF/PAN纤维的综合性能。
　　论文采用NaSCN法制得PAN溶液并与MF预聚体水溶液共混制备 MF/PAN浆液，分别采用 PEG接枝共聚与共混入纳米 TiO2对MF/PAN浆液进行改性，选择较佳的改性方法，并通过湿法纺丝工艺制备改性前后的MF/PAN纤维。采用光学显微镜和旋转粘度计测试对比了纺丝浆液的稳定性，采用红外光谱和核磁共振氢谱确定了 PEG改性MF的化学结构。通过扫描电子显微镜、元素分析、X射线衍射、热重分析、力学分析和极限氧指数等测试表征手段，测试对比了湿法制得MF/PAN膜及其纤维的表面形态结构、成形过程中的MF流失率、力学性能、结晶度、耐热性以及阻燃性能，确定了最佳的MF/PAN纺丝浆液的制备工艺，研究了湿法纺丝、凝固和拉伸工艺条件对改性前后MF/PAN纤维力学性能和阻燃性能的影响。
　　论文首先研究制备了 MF/PAN纤维。从制得的MF/PAN浆液粘度变化、浆液湿法成膜过程中MF的流失率及制得MF/PAN膜的力学性能等着手，获得了纺丝性能最佳的MF/PAN浆液的制备条件为：三聚氰胺与甲醛的摩尔比为1:3， MF与PAN的混合质量比为7:3，混合液在60℃下继续反应16h。此条件下制得的MF/PAN浆液呈现海岛结构，MF分散在PAN的连续相中，具有一定成膜性能，且MF流失较少。采用该最佳条件制得的MF/PAN浆液进行湿法纺丝，研究了湿法纺丝拉伸条件对制得 MF/PAN纤维结构性能的影响。制得的MF/PAN纤维整体结构均匀，纤维表面有MF相聚集颗粒存在。随沸水拉伸倍数的提高，纤维结晶度和力学性能变高，纤维表面MF聚集相增多，阻燃性能变好。随喷头拉伸率从-30％降低至-60%，纤维MF流失率、XRD结晶度和纤维力学性能均先减小后增大，而纤维阻燃性能和热稳定性能的变化趋势则相反。当喷头拉伸率为-50%，沸水拉伸倍率为3.0时，制得MF/PAN纤维的综合性能达到最佳：纤维强度为1.17cN/dtex，断裂伸长率为8.80%，纤维极限氧指数达32.2%。
　　其次，分别采用PEG接枝共聚与共混入纳米TiO2两种改性方法对MF进行改性，以提高MF/PAN纤维的力学性能。采用PEG接枝共聚改性时，首先研究了 PEG接枝共聚改性的可行性，探讨了MFPEG/PAN浆液的成膜性能。然后采用三水平四因素正交实验，以制得MFPEG/PAN膜的力学性能为检验标准，确定了最佳的浆液制备条件为：改性剂PEG的分子量为600，三聚氰胺与PEG改性三聚氰胺的混合质量比为10:1，混合三聚氰胺与甲醛的反应摩尔比为1:3，反应时间为20min，反应温度为85℃，制得的MFPEG与PAN按质量比为7:3进行溶液共混，于60℃下恒温反应20h。由此浆液进行湿法制膜制得MFPEG/PAN膜的拉伸强度为15.78MPa，断裂伸长率为12.12%，阻燃LOI值为31.8%。采用纳米TiO2共混改性时，首先采用KH570对纳米粒子进行表面修饰，然后考察KH570-TiO2加入量对制得改性MF/PAN膜性能的影响。发现当KH570-TiO2加入量为1.5%时，制得改性MF/PAN膜的综合性能最佳，膜的拉伸强度为14.89MPa，断裂伸长率为8.24%，阻燃LOI值为28.1%。比较两种改性方法，PEG改性MF/PAN膜的综合力学性能和阻燃性能较好，因此选择PEG改性的MF/PAN浆液来制备改性MF/PAN纤维。
　　最后，采用 PEG改性的 MF/PAN浆液进行湿法纺丝，讨论了凝固浴浓度、喷头拉伸率及沸水拉伸倍数对制得纤维表面形貌、结晶度、力学性能和阻燃性能的影响。结果发现，凝固浴浓度为10%时纤维的MF流失率最低；湿法纺丝过程中主要的MF流失阶段发生在凝固浴阶段，其次为预热阶段，而在沸水拉伸阶段纤维MF流失最少；随沸水拉伸倍数的提高，纤维 XRD结晶度和力学性能显著增大，MF流失率略微升高，而纤维 LOI值则明显增大，改性后纤维的沸水拉伸倍数最大能达到4倍；当喷头拉伸率为-50%，沸水拉伸倍数为4倍时，制得的MFPEG/PAN纤维综合性能最佳，纤维直径为20μm左右，表面存在大量 MFPEG颗粒，纤维整体结构均匀致密，纤维强度为1.85cN/dtex，较未改性MF/PAN纤维提高了58.1%，同时，PEG改性纤维的耐热性能和阻燃性能均较未改性纤维有明显提高，其极限氧指数LOI值达到34.2%。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 三聚氰胺甲醛的制备

1.3三聚氰胺甲醛树脂的应用

1.4 三聚氰胺甲醛树脂的改性

1.5 三聚氰胺甲醛纤维的研究进展及发展前景

1.6 三聚氰胺甲醛纤维的纺丝工艺

1.7 课题研究内容

第2章 MF/PAN纤维的制备研究

2.1引言

2.2 实验部分

2.3 测试与表征

2.4 结果与讨论

2.5 本章小结

第3章 改性MF/PAN膜的制备与性能研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 测试与表征

3.4 结果与讨论

3.5 本章小结

第4章 MFPEG/PAN纤维的制备及性能研究

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 测试与表征

4.4 结果与讨论

4.5 本章小结

第5章结论

参考文献

科研成果

致谢