聚丙烯腈/室温离子液体浓溶液的流变行为及其湿法成形工艺的研究

摘要

聚丙烯腈纤维是四大合成纤维之一，不仅在家纺、服用得到广泛应用，而且在产业上，特别是作为碳纤维原丝，在高科技的航天航空领域同样发挥着巨大的作用。但不管是湿法还是干法纺丝，都要使用大量有毒有害或有腐蚀性的溶剂。室温离子液体是近年来兴起的一类绿色溶剂，具有不易挥发、稳定性好、熔点范围宽、溶解范围广、易分离回收等优点，广泛应用于电化学、化工分离、化学反应等领域。本论文将离子液体应用于聚丙烯腈纺丝加工体系，研究了聚丙烯腈/离子液体浓溶液的流变行为及其湿法成形工艺，探索用离子液体作为溶剂制备聚丙烯腈纤维的技术与工艺。 首先，我们以两步法合成BMIM-C1和BMIM-BF<,4>两种阴离子不同的离子液体，用于聚丙烯腈的溶解。溶解实验的结果表明在离子液体BMIM-C1中，由于氯离子半径小，扩散快，易形成氢键，可以在90℃下溶解聚丙烯腈。相对而言，离子液体BMIM-BF<,4>则由于BF<'-><,4>离子半径大，空间位阻大，扩散慢，形成氢键的能力弱，需要更高的温度110℃下才能溶解同样浓度的聚丙烯腈，且溶解的速度较慢，溶解度较小。 利用HAKKE应力控制流变仪研究了聚丙烯腈/离子液体浓溶液的流变行为。同等条件下，聚丙烯腈/离子液体浓溶液的粘度比聚丙烯腈/常规溶剂浓溶液的粘度高。流变测试的结果表明聚丙烯腈/离子液体浓溶液属于切力变稀的非牛顿流体，且其非牛顿性指数随着剪切速率的增大而减小，尤其是PAN/BMIM-Cl溶液，在高剪切区，非牛顿指数急剧下降，这可能是由于高剪切速率破坏了聚丙烯腈在溶解过程中形成的氢键结构。对于PAN/BMIM-BF<,4>浓溶液来说，随着溶质聚丙烯腈分子量的减小，溶液温度的升高和溶液浓度的降低，纺丝原液的表观粘度减小。浓度为8wt﹪和10wt﹪的PAN/BMIM-BF<,4>浓溶液的表观粘度几乎一样，我们认为这是PAN/BMIM-BF<,4>溶液从亚浓溶液向浓溶液的转变区。而PAN/BMIM-Cl浓溶液在溶质聚丙烯腈分子量、浓度和温度等因素的作用下表现出一系列特殊的流变行为，在高剪切区，较高温度、较低浓度及较小分子量条件下的溶液的表观粘度较高，这可能是因为高剪切速率破坏了PAN/BMIM-CI浓溶液中的氢键结构，导致粘度迅速下降。聚丙烯腈/离子液体浓溶液的湿法成形实验的研究则表明直接以H<,2>O为凝固剂，凝固剂温度为30℃，纺丝原液浓度为16wt﹪，温度为70℃时，就能满足聚丙烯腈的湿法成形要求，纺制成具有一定物理机械性能的聚丙烯腈纤维。随着PAN/BMIM-C1浓溶液中聚丙烯腈浓度的增大和牵伸倍数的增加，聚丙烯腈纤维的物理机械性能都有所增强。PAN/BMIM-BF<,4>浓溶液的可纺性差，易断头，纺丝过程难以连续进行。

目录

文摘

英文文摘

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1前言

1.1研究背景

1.2聚丙烯腈纤维

1.2.1聚丙烯腈纤维的发展

1.2.2聚丙烯腈纤维的湿法成形

1.2.3聚丙烯腈纤维的湿法成形

1.3绿色化学和离子液体

1.3.1绿色化学

1.3.2离子液体

1.4纺丝流变学

1.5本论文的研究目的和意义

1.6本论文的主要工作

2聚丙烯腈在离子液体中的溶胀与溶解

2.1实验

2.1.1离子液体的合成

2.1.2离子液体的结构表征

2.1.3聚丙烯腈在离子液体中的溶胀与溶解

2.2结果与讨论

2.2.1离子液体的结构表征

2.2.2PAN1在离子液体BMIM-BF4中的溶胀与溶解

2.2.3PAN1在离子液体BMIM-Cl中的溶解

2.2.4凝胶

2.3小结

3聚丙烯腈/离子液体浓溶液流变行为的测试

3.1实验

3.1.1实验仪器

3.1.2实验方法

3.2结果与讨论

3.2.1聚丙烯腈/离子液体的流动曲线

3.2.2分子量的影响

3.2.3浓度的影响

3.2.4温度的影响

3.2.5动态流变行为

3.3小结

4聚丙烯腈/离子液体浓溶液的湿法成形

4.1实验

4.1.1聚丙烯腈/离子液体浓溶液的湿法成形

4.1.2声速法测纤维取向度

4.1.3纤维力学性能测试

4.1.4SEM测试

4.2结果与讨论

4.2.1PAN1/RTILs浓溶液的可纺性

4.2.2PAN1/BMIM-Cl浓溶液中聚丙烯腈的浓度

4.2.3凝固浴中离子液体BMIM-Cl的含量

4.2.4凝固浴的温度

4.2.5牵伸倍数

4.2.6PAN1/BMIM-Cl浓溶液湿法成形聚丙烯腈纤维的结构

4.3小结

5结论

参考文献

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致谢