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PAN/DMSO纺丝溶液的流变性能与挤出成型过程

作　者: 郭聪聪
导　师: 陈惠芳
学　校: 东华大学
专　业: 材料物理与化学
关键词: PAN 纺丝溶液流变性能可纺性挤出成型
分类号: TQ340.6
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

碳纤维(CF)是一种具有高强度,高模量,耐高温,耐腐蚀等一系列优异性能的新型材料。作为先进复合材料的增强纤维,其已被广泛地应用在各个领域。聚丙烯腈(PAN)纤维作为较早实现工业化的合成纤维之一,聚丙烯腈原丝能制得高性能的碳纤维,其生产工艺较其它方法简单,产品的力学性能良好,因而已成为生产碳纤维的主要原丝。聚丙烯腈原丝的结构和性能直接影响到最终的碳纤维的质量。本文在PAN/DMSO纺丝溶液中添加高分子量PAN,并通过干湿法纺丝制备了聚丙烯腈原丝。对纺丝溶液的稳态和动态流动行为以及纤维的力学性能、结晶性能等方面进行了研究。获得了添加高分子量PAN对纺丝溶液的流变性能、可纺性和原丝性能的初步研究结果,主要开展了以下几个方面的研究工作：采用溶液聚合的方法,在低转化率条件下,以第一单体浓度(AN)、第二单体浓度(IA)、聚合温度三个参数为考察对象,探索制备高分子量聚丙烯腈聚合物的工艺,为高分子量聚丙烯腈增强普通分子量聚丙烯腈纺丝原丝性能提供基础研究。获得最高转化率的反应条件是：AN单体浓度为45%、第二单体IA浓度为0、聚合反应温度为70℃；获得最大粘均分子量的反应条件是单体浓度为40%、第二单体IA浓度为0、聚合反应温度为50℃。通过锥板流变仪对纺丝体系的稳态和动态流变行为进行了研究,结果表明：纺丝溶液为切力变稀流体,在较高剪切速率下,溶液出现明显的剪切变稀现象；在较低的剪切速率下,随温度的升高,溶液粘度逐渐变低。通过添加高分子量PAN,溶液粘度增大,有利于α/η适当降低,从而改善可纺性和提高纺丝稳定性；而储能模量G’略微增加,不会影响可纺性,但应控制添加量在一合适的范围。空气层高度的增加,Vim呈直线下降,要发展高喷头拉伸,应采用合适小的空气层高度。采用干湿法纺丝制备了聚丙烯腈原丝,对纤维的形貌、结构和性能进行了详细的研究,结果表明：喷丝孔长径比(L/D)和喷头拉伸比的增大,挤出胀大效应逐渐变弱。干湿法纺丝工艺下得到的初生纤维截面均为肾形。较大的空气层高度有利于PAN大分子在拉伸力的作用下取向,但也不宜过高,空气层高度为3cm时为最优条件。喷丝孔长径比增大,纤维的断裂强度有明显的增大。总拉伸倍数高于10倍时,拉伸倍率提高,纤维强度下降,而在5-8倍之间,伸倍数提高强度有较大的提高。拉伸体系在8-10倍之间存在一最适宜拉伸倍数。喷丝孔长径比增加,原丝结晶度略微增加。二次沸水拉伸倍数增大,纤维的结晶度及晶粒在纤维轴向方向的尺寸有了较大的提高。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-12
第一章绪论  12-28
  1.1 碳纤维简介  12-13
  1.2 聚丙烯腈基碳纤维的发展  13
    1.2.1 国外聚丙烯腈基碳纤维的发展  13
    1.2.2 国内聚丙烯腈基碳纤维的发展  13
  1.3 高性能聚丙烯腈基碳纤维原丝  13-14
    1.3.1 高性能聚丙烯腈基碳纤维原丝的质量要求  13-14
    1.3.2 我国聚丙烯腈基碳纤维原丝的现状及存在的问题  14
  1.4 聚丙烯腈基碳纤维原丝的制备方法  14-15
  1.5 聚丙烯腈基碳纤维原丝的制备工艺  15-19
    1.5.1 聚丙烯腈的合成  15-16
    1.5.2 脱单和脱泡  16
    1.5.3 纺丝原液与凝固成型  16-17
    1.5.4 拉伸  17-18
    1.5.5 水洗  18
    1.5.6 上油  18
    1.5.7 干燥致密化和热定型  18-19
  1.6 纺丝溶液的流变学性质研究  19-20
    1.6.1 影响纺丝溶液的lgηa～lgγ流动曲线的因素  19-20
    1.6.2 纺丝溶液的粘流活化能  20
    1.6.3 纺丝溶液的非牛顿指数  20
    1.6.4 纺丝溶液的结构粘度指数Δη  20
  1.7 聚丙烯腈纺丝原液的改性  20-21
  1.8 PAN/DMSO纺丝溶液的干湿法纺丝与可纺性  21-24
    1.8.1 PAN/DMSO纺丝溶液干湿法纺丝的成型特征  21-22
    1.8.2 干湿法纺丝的可纺性  22-23
    1.8.3 可纺性的理论基础  23-24
  1.9 PAN/DMSO挤出成型过程  24-25
    1.9.1 挤出成型过程的流动行为  24
    1.9.2 挤出成型过程  24-25
  1.10 原丝性能测试与表征  25-26
    1.10.1 形态和微观结构  25
    1.10.2 原丝强度  25-26
    1.10.3 取向度和结晶度  26
    1.10.4 热性能  26
  1.11 本课题提出的目的与意义  26-28
第二章高分子量PAN共聚物的制备与表征  28-39
  2.1 引言  28
  2.2 实验部分  28-30
    2.2.1 原料和试剂  28
    2.2.2 实验设备  28
    2.2.3 聚丙烯腈的制备  28-29
    2.2.4 转化率的测定  29
    2.2.5 粘度法测定分子量  29-30
    2.2.6 GPC测定PAN分子量及其分布  30
    2.2.7 红外光谱(IR)  30
    2.2.8 X-射线衍射(XRD)  30
  2.3 结果与讨论  30-37
    2.3.1 第一单体(AN)浓度对聚合反应的影响  31-32
    2.3.2 温度对聚合反应的影响  32-34
    2.3.3 第二单体IA浓度对聚合反应的影响  34-35
    2.3.4 GPC测定PAN分子量及其分布数据结果  35
    2.3.5 聚合产物的红外分析  35-36
    2.3.6 聚合产物的X射线衍射分析  36-37
  2.4 结论  37-39
第三章 PAN/DMSO纺丝溶液的流变学性质与可纺性  39-51
  3.1 引言  39
  3.2 实验部分  39-40
    3.2.1 原料  39
    3.2.2 纺丝溶液的配置  39-40
    3.2.3 纺丝溶液流变行为的测定  40
    3.2.4 可纺性的测定  40
  3.3 结果与讨论  40-49
    3.3.1 温度和剪切速率对流动曲线的影响  40-42
    3.3.2 添加高分子量PAN对流动曲线的影响  42-43
    3.3.3 温度对粘弹性的影响  43-44
    3.3.4 添加高分子量PAN对纺丝溶液粘弹性的影响  44-47
    3.3.5 干喷湿纺的漫流现象及其解决方法  47-48
    3.3.6 空气层高度对V_(1m)的影响  48-49
  3.4 结论  49-51
第四章 PAN/DMSO纺丝溶液的挤出成型过程  51-64
  4.1 引言  51
  4.2 实验部分  51-54
    4.2.1 原料  51-52
    4.2.2 工艺流程  52
    4.2.3 二次沸水拉伸  52
    4.2.4 测试与表征  52-54
  4.3 结果与讨论  54-63
    4.3.1 喷丝孔长径比与挤出胀大比的关系  54
    4.3.2 喷丝头拉伸比与挤出胀大比的关系  54-55
    4.3.3 初生纤维的截面形态分析  55-56
    4.3.4 空气层高度对原丝力学性能的影响  56-57
    4.3.5 喷丝孔长径比对纤维力学性能的影响  57-58
    4.3.6 拉伸对原丝力学性能的影响  58-60
    4.3.7 原丝的结晶性能的分析  60-63
  4.4 结论  63-64
第五章结论与展望  64-66
参考文献  66-74
东华大学在校期间发表学术论文目录  74-75
致谢  75

PAN/DMSO纺丝溶液的流变性能与挤出成型过程

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