PAN溶液特性对凝固相分离行为及聚合物结构的影响
聚丙烯腈(PAN)原丝的晶态结构对纤维后续的热处理过程有很大程度的影响，决定着最终碳纤维的性能。而原丝的晶态结构最早形成于凝固成型阶段，该阶段是一个相分离过程，PAN从溶液状态变为固态的纤维，凝固外场条件或溶液性质不同，都会影响相分离过程，这最终导致所得的纤维无论是在宏观结构上，还是超分子结构上都存在着较大的差异。国内外学者普遍通过外场因素来调控PAN纤维的晶态结构，而忽略了溶液本身性质的影响。然而从PAN溶液性质出发，有利于从源头探究PAN晶态结构的形成机理，对制备高性能的碳纤维意义重大。 本文从PAN溶液中大分子链的存在状态这种特性入手，通过改变溶剂极性或对溶剂进行改性达到控制溶液特性的目的。进而从微观角度研究了PAN溶液特性对凝固相分离行为及聚合物晶态结构的影响实质。本文主要以紫外光谱为表征手段，研究了PAN溶液中的分子间作用力;以粘度法以及流变学分析方法为主要手段，研究了PAN溶液中分子链的构象及流变学性质;以浊点滴定为测试手段，利用三元相图，从宏观热力学角度分析了PAN溶液特性对凝固相分离行为的影响;以XRD作为聚合物晶态结构的表征方法，研究了PAN晶态结构的形成及演变规律，同时建立起了溶液特性到晶态结构间的影响关系。 本研究主要内容包括：⑴PAN溶液所用溶剂的极性能够极大地影响溶液中PAN分子链的存在状态这种特性。溶剂极性越强，溶剂分子与PAN分子链间作用力越大，PAN分子链越伸展，运动能力越弱。而通过添加适量碳酸氢铵对有机溶剂二甲基亚砜进行改性，同样能够达到调控这种溶液特性的效果；⑵溶液极性能够影响凝固剂的凝固能力，PAN溶液发生相分离时的浊点组成以及相分离曲线。溶液极性越强，凝固剂凝固能力越弱，相应溶液发生相分离时体系中非溶剂水含量越多，聚合物含量越低，相分离曲线逐渐向PAN-水轴靠拢，均相区增大。而溶剂改性后，相分离曲线的差异主要表现在低浓度区域，溶液发生相分离时的临界点向PAN-水轴方向移动；⑶PAN溶液的特性直接影响凝固相分离后聚合物的晶态结构，PAN分子链越伸展，运动能力越弱，所得到聚合物的结晶度越小，晶粒尺寸越大；⑷PAN溶液外部剪切力以及凝固张力都会对PAN晶态结构产生影响，但两种外力的存在都不会掩盖溶液本身特性发挥的作用。
碳纤维合成;PAN溶液;分子链构象;晶态结构
北京化工大学
硕士
材料科学与工程
徐樑华
2015
中文
TQ342.742;TQ340.1
94
2015-12-29（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）