PAN聚合物晶态结构调控及在改善预氧化热行为中的作用

摘要

PAN基碳纤维现有制备工艺中包含原丝的制备工艺、预氧化工艺及碳化工艺。三个工艺耗时长，预氧化工艺是其主要耗时原因所在。在国内外学者的研究中可以知道，预氧化过程中的环化反应、氧化反应都伴随着大量的放热行为。如果在预氧化过程中，升温速度过快，就会导致预氧化过程剧烈，并伴随大量放热，而在预氧化初期，预氧丝的耐热结构尚未生成完全，这使得其在预氧化放热过程中容易发生熔断，从而使得最后得到的碳纤维的力学性能大大下降。这主要是因为，现有的纺丝工艺得到的PAN聚合物在预氧化过程中，放热反应温度区间窄，这直接阻碍了PAN聚合物预氧化工艺的改进。因此拓宽PAN聚合物在预氧化过程中的反应温度，使其在预氧化低温、中温、高温阶段皆有平均的放热反应就显得尤为重要。
　　在文献中可以知道，影响PAN聚合物预氧化热行为的因素主要有晶态结构、取向结构、孔隙结构等，而其中晶态结构和取向结构是影响其预氧化热行为的主要因素。其中晶粒尺寸小的PAN聚合物使得PAN聚合物在预氧化过程中的放热温度往低温区移动，因此细化PAN聚合物的晶粒尺寸有利于解决其放热集中的问题。因此需要通过调节纺丝工艺，来得到晶粒尺寸小的PAN聚合物。
　　通过相关学者的研究发现，常规的纺丝工艺调控对PAN聚合物的晶粒尺寸分布等晶态结构的调控空间小，对研究PAN聚合物晶态结构对其预氧化热行为的影响存在一定的难度，但是通过改变凝固浴的种类时可以得到结构差异明显的PAN聚合物，因此本论文通过调节凝固浴种类来调控聚合物结构，采用XRD来研究不同极性的凝固浴来对PAN聚合物晶态结构的影响，并将得到的聚合物进行DSC测试来得到其预氧化过程中的热行为，从而建立起PAN聚合物晶态结构与其预氧化热行为的关联关系。从而对改善纺丝工艺，拓宽预氧化放热温度区间，得到一定的指导意义。
　　本课题研究结果表明:
　　1、沉淀剂极性对PAN聚合物晶态结构有重要影响，水、乙二醇分子极性较强，对PAN分子链束缚作用明显，使得聚合物中各晶粒的生长速率差异小，得到晶粒尺寸分布窄、结晶度小、晶粒尺寸小的聚合物;乙醇分子极性较弱，且只含有一个极性H原子，对PAN分子链束缚作用较弱，聚合物中各晶粒生长速率差异大，得到晶粒尺寸分布宽、结晶度大、晶粒尺寸大的聚合物。
　　2、相分离过程中，力场的存在可有效影响PAN聚合物的晶区取向度，PAN大分子链的运动能力下降，使得聚合物中各晶粒的生长速率差异变小，这主要影响了聚合物中小尺寸晶粒的数量，但对聚合物中大尺寸的晶粒影响不大，从而影响其晶粒尺寸分布，但沉淀剂极性的影响效果在极性/力场耦合作用过程中被继承和遗传。
　　3、PAN聚合物晶粒尺寸分布宽有利于拓宽其在预氧化过程中的反应放热温度区间，且随着晶区取向度逐渐减小，PAN聚合物晶区反应放热温度区间随着晶粒尺寸分布变化逐渐变慢。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 前言

1．2 PAN基碳纤维的制备方法

1．3 PAN聚合物聚集态结构对其预氧化热行为的影响

1．3．1 PAN聚合物晶态结构对预氧化热行为的影响

1．3．2 PAN聚合物的取向结构对预氧化热行为的影响

1．4 PAN聚合物原丝制备工艺

1．5 PAN聚合物晶态结构的形成及演变

1．6 PAN聚合物聚集态结构的影响因素

1．6．1 PAN聚合物晶态结构的影响因素

1．6．2 PAN聚合物取向结构的影响因素

1．7 本文研究目的、意义及内容

第二章 实验部分

2．1 原料及试剂

2．2 实验样品的制备

2．2．1 PAN聚合物的制备

2．2．2 PAN聚合物膜的制备

2．2．3 PAN聚合物初生纤维的制备

2．2．4 调控PAN聚合物初生纤维制备

2．3 测试与表征

2．3．1 流变仪测试

2．3．2 紫外光谱测试

2．3．3 X射线衍射测试(XRD)

2．3．4 差示扫描量热(DSC)分析

2．4 DSC升温速率的确定

2．5 晶粒尺寸分布测试方法(溶胀法)

第三章 结果与讨论

3．1 相分离过程中凝固浴极性对晶态结构的影响

3．1．1 相分离过程中凝固浴极性对晶态结构的影响机理

3．1．2 相分离过程中凝固浴极性对晶态结构的影响模型的建立

3．2 极性与力场的耦合作用对PAN聚合物晶态结构的影响

3．2．1 极性与剪切力的耦合作用对PAN聚合物晶态结构的影响

3．2．2 极性与凝固牵伸力的耦合作用对聚合物晶态结晶的影响

3．3 聚合物晶态结构与其预氧化热行为的关联关系

3．3．1 聚合物晶粒尺寸分布对其预氧化热行为的影响

3．3．2 聚合物晶区取向结构对晶态结构与其热行为关联关系的影响

第四章 结论

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

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