高浓度PAN/DMSO溶液干湿法纺丝工艺研究

摘要

碳纤维是一种具有高模量、高强度、耐腐蚀、耐高温等一系列优异性能的高科技纤维材料。聚丙烯腈(PAN)基碳纤维是应用最广泛，综合性能最好的一种碳纤维。PAN基碳纤维的性能极大程度上取决于PAN原丝的质量。目前我国生产的碳纤维总体上与世界先进水平尚存在较大差距，仍处于较低水平。然而原丝质量不过关是制约我国碳纤维发展的主要瓶颈，提高原丝质量是提高我国碳纤维水平的首要任务。本论文主要利用同向啮合双螺杆挤出机制备高浓度PAN/DMSO纺丝溶液，通过干湿法纺丝制备高固含量的PAN原丝，以期获得优质的PAN原丝，并对其结构与性能进行了研究。
　　通过稳态流变测试研究了在不同温度下不同浓度的PAN/DMSO纺丝原液的粘度随剪切速率的变化。通过拟合剪切速率-粘度曲线求得不同浓度纺丝原液的零切粘度，结果表明温度对PAN/DMSO纺丝溶液粘度作用有限，超出一定值后，粘度随温度的变化较小。根据阿伦尼乌斯公式，进一步求出了不同浓度的PAN/DMSO纺丝溶液在不同剪切速率下的粘流活化能，表明在高浓度，低剪切速率下溶液的粘流活化能较大，即对温度的敏感性较大。由动态流变测试可知，浓度较大的PAN/DMSO纺丝溶液的粘弹性转变点在较低的剪切速率出现，而纺丝原液弹性特性使挤出胀大效应更为明显，不利于纺丝的稳定性，对于高浓度PAN/DMSO纺丝原液应该适当降低剪切速率以减少溶液的弹性特性。
　　啮合同向双螺杆挤出机以其优异的加工聚合物和脱挥性能能够解决制备高浓度PAN/DMSO纺丝溶液中PAN溶解困难和脱挥困难等问题。其混炼段的捏合块对物料的强烈剪切作用可以使PAN/DMSO原液中的PAN充分溶解，并且通过充分的剪切作用使高浓度的PAN/DMSO纺丝原液的粘度达到适合干湿法纺丝的要求。另外对经过和未经过排气段的纺丝原液通过光学显微镜的观察结果表明啮合同向双螺杆对PAN/DMSO纺丝原液的脱泡效果显著。
　　利用扫描电镜(SEM)、力学性能测试、广角X射线衍射(WAXD)、光学显微镜等手段对干湿法纺丝制备的不同固含量的PAN原丝的结构性能进行表征。结果表明高固含量的PAN原丝致密性较好，表面沟槽较少，较光滑，但其直径较大，需要通过更高倍数的拉伸以降低其纤度。通过对不同固含量的PAN原丝的沸水拉伸分析可知，高固含量的PAN原丝具有更大的沸水牵伸倍数，从而纤维的断裂强度，结晶度，取向度，晶粒尺寸都较大，进一步提升了原丝的性能。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 聚丙烯腈基碳纤维发展概况

1．3 聚丙烯腈原丝的制备工艺

1．3．1 聚合物溶解机理

1．3．2 聚丙烯腈纺丝原液制备工艺

1．3．3 啮合同向双螺杆挤出工艺

1．3．4 聚丙烯腈纺丝液的流变性

1．3．5 聚丙烯腈原丝的纺丝工艺

1．3．6 聚丙烯腈原丝的牵伸工艺

1．4 聚丙烯腈原丝结构特征

1．5 提高聚丙烯腈原丝性能的途径

1．5．1 聚丙烯腈共聚组分对原丝性能的影响

1．5．2 聚丙烯腈基原丝的改性研究概况

1．5．3 原丝致密化对原丝性能的影响

1．5．4 油剂对原丝性能的影响

1．5．5 原丝缺陷对原丝性能的影响

1．5．6 原丝纤度对原丝性能的影响

1．5．7 原丝取向度和结晶度对原丝性能的影响

1．6 PAN原丝的预氧化

1．7 PAN原丝的碳化和石墨化

1．8 本论文选题以及内容

第二章 不同固含量聚丙烯腈浓溶液的流变性能

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 材料

2．2．2 实验仪器

2．2．3 PAN分子量测定

2．2．4 PAN／DMSO溶液的制备

2．2．5 流变学测试

2．3 结果与讨论

2．3．1 PAN／DMSO稳态流变性

2．3．2 PAN／DMSO溶液的非牛顿指数

2．3．3 PAN／DMSO溶液表观粘度的温度依赖性

2．3．4 PAN／DMSO溶液动态流变性

2．4 本章小结

第三章 高浓度PAN／DMSO纺丝原液的制备

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 材料

3．2．2 实验设备

3．2．3 PAN／DMSO溶液的制备

3．2．4 PAN／DMSO原液可纺性测定

3．3 结果与讨论

3．3．1 啮合同向双螺杆的组合工艺研究

3．3．2 啮合同向双螺杆的排气原理

3．3．3 啮合同向双螺杆排气组件工艺研究

3．3．4 PAN／DMSO溶液可纺性研究

3．4 本章小结

第四章 不同固含量聚丙烯腈原丝制备与性能

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 材料

4．2．2 PAN／DMSO纺丝溶液制备

4．2．3 PAN原丝纺丝成型

4．2．4 光学显微镜

4．2．5 扫描电镜(SEM)

4．2．6 广角X射线衍射(WAXD)

4．2．7 力学性能测试

4．3 结果与讨论

4．3．1 PAN／DMSO纺丝预牵伸设定

4．3．2 预牵伸后纤维截面分析

4．3．3 预牵伸后纤维表面形态分析

4．3．4 沸水牵伸

4．3．5 沸水牵伸后对纤维性能的影响

4．3．6 沸水牵伸后纤维X射线衍射分析

4．4 本章小结

第五章 结论

参考文献

在校期间发表学术论文目录

致谢