聚丙烯腈紡絲溶液的粘彈性研究.pdf

1、聚丙烯腈(PAN)基碳纖維是碳纖維中用途最廣泛、發(fā)展前景最好的一種。作為PAN基碳纖維的前驅(qū)體,PAN原絲的質(zhì)量很大程度上決定了PAN基碳纖維的性能。目前碳纖維的需求量逐年增加,但國(guó)產(chǎn)PAN基碳纖維總體上仍處于較低的水平,與世界先進(jìn)水平差距很大。國(guó)產(chǎn)PAN原絲的質(zhì)量無(wú)法滿足生產(chǎn)高性能碳纖維的要求,是制約碳纖維質(zhì)量提高的重要因素,提高原絲的質(zhì)量是提高國(guó)產(chǎn)碳纖維生產(chǎn)水平的當(dāng)務(wù)之急。相關(guān)基礎(chǔ)理論和制備工藝的研究對(duì)于提高原絲的質(zhì)量和生產(chǎn)水平都很

2、重要。
　　本論文在不同溫度下對(duì)作為PAN原絲紡絲溶液的PAN/DMSO和PAN/DMSO/水溶液體系的粘彈特性進(jìn)行了研究,并對(duì)PAN溶液的室溫凝膠化過(guò)程中的粘彈特性進(jìn)行了研究,并使用凝膠紡絲方法制備原絲并對(duì)其進(jìn)行了結(jié)構(gòu)-性能研究。研究了PAN/DMSO溶液在不同溫度下的粘彈性質(zhì),探討了相互關(guān)聯(lián)的參量—高分子濃度/非溶劑加入量、溫度對(duì)溶液粘彈性行為的影響。一定的剪切速率下,隨著濃度增加、非溶劑加入量增加、溫度降低,溶液粘度都會(huì)增大

3、。穩(wěn)態(tài)流變實(shí)驗(yàn)中,低剪切速率下PAN/DMSO溶液表現(xiàn)出典型的牛頓流體性質(zhì),隨著剪切速率增大,濃度、非溶劑、溫度等因素都會(huì)影響溶液偏離牛頓流體性質(zhì),表現(xiàn)出典型切力變稀的性質(zhì),這些因素也都會(huì)影響溶液切力變稀的臨界剪切速率;根據(jù)穩(wěn)態(tài)流變數(shù)據(jù)計(jì)算了PAN/DMSO溶液的粘流活化能,發(fā)現(xiàn)溫度變化對(duì)PAN/DMSO溶液的可紡性會(huì)有一定影響;發(fā)現(xiàn)PAN/DMSO溶液的彈性響應(yīng)隨測(cè)試的剪切速率增大而增大,而濃度、非溶劑、溫度等因素都對(duì)溶液彈性響應(yīng)有顯

4、著影響;發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)溫度范圍內(nèi),溶液在應(yīng)力0.1Pa~300Pa的范圍內(nèi)始終為線性表現(xiàn);發(fā)現(xiàn)線性條件下溶液PAN濃度升高、非溶劑的加入、溫度降低,都會(huì)使溶液的剛性增大,同時(shí)蠕變中彈性部分所占的比例也增大。非線性條件下溶液的變化規(guī)律與線性條件下的類似,但在濃度為PAN-21％~23%區(qū)間、溫度為40~55℃區(qū)間內(nèi),測(cè)試結(jié)果有顯著差異,可能與臨界值的存在有關(guān)。由蠕變實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到蠕變零切粘度值,發(fā)現(xiàn)PAN/DMSO溶液零切粘度依賴于高分子濃度和分

5、子量,符合經(jīng)驗(yàn)公式,并且零切粘度對(duì)于非溶劑的加入量也有依賴性,隨非溶劑的增加而線性增大;發(fā)現(xiàn)PAN/DMSO溶液有觸變性,溶解溫度下的低濃度的PAN/DMSO溶液觸變性很弱,一定剪切速率下,濃度增加、非溶劑加入量增加、溫度降低,都使溶液的觸變性增大。研究了PAN/DMSO溶液熟化過(guò)程中的粘彈性質(zhì),探討了相互關(guān)聯(lián)的參量—高分子濃度/非溶劑加入量與熟化時(shí)間對(duì)熟化體系粘彈性行為的影響。一定的剪切速率下,隨著溶液中PAN濃度增加、非溶劑加入量增

6、加、熟化時(shí)間增大,溶液粘度都會(huì)增大。低剪切速率下熟化2h的PAN/DMSO溶液仍有一定的牛頓流體性質(zhì),但剪切速率略有增大,溶液即表現(xiàn)出典型切力變稀的性質(zhì),熟化時(shí)間越長(zhǎng),非牛頓流體性質(zhì)表現(xiàn)得越明顯,這些因素也都會(huì)影響溶液切力變稀的臨界剪切速率。熟化時(shí)間相等的樣品,低剪切速率下粘度隨濃度增大而增大的趨勢(shì)呈線性;粘度也隨非溶劑水的加入而變化,但規(guī)律復(fù)雜。發(fā)現(xiàn)溶液PAN濃度升高、非溶劑加入、熟化時(shí)間增大,都會(huì)使溶液的剛性增大,蠕變中彈性部分所占

7、的比例也增大,其中非溶劑對(duì)溶液彈性的影響比濃度的影響要大;發(fā)現(xiàn)熟化時(shí)間越長(zhǎng),PAN/DMSO溶液的觸變性表現(xiàn)得越明顯,且無(wú)論濃度及非溶劑加入量多少,熟化2h后,觸變環(huán)的面積幾乎都是熟化開(kāi)始時(shí)面積的兩倍。相同熟化時(shí)間下,PAN/DMSO溶液熟化過(guò)程的觸變環(huán)變化具有濃度依賴性。此外,加入少量水的PAN/DMSO溶液的觸變性顯著增大,但隨著加水量的增大,觸變性并無(wú)太大變化,甚至略有下降,同第二章中報(bào)道的規(guī)律有所不同。使用凝膠紡絲方法以及干濕法

8、紡絲制備了PAN基碳纖維原絲,并用力學(xué)性能測(cè)試、廣角X射線衍射(WAXD)等手段對(duì)得到的PAN原絲進(jìn)行了結(jié)構(gòu)性能表征、比較。與傳統(tǒng)的干濕法紡絲相比,由凝膠紡絲制得的初生纖維結(jié)構(gòu)力學(xué)性能較好,其中由萃取浴得到的凝膠紡原絲力學(xué)性能優(yōu)于由凝固浴得到的凝膠紡原絲。由不同紡絲方法得到的原絲的結(jié)晶度差別很小,說(shuō)明結(jié)晶度不是影響PAN原絲力學(xué)性能的主要因素。凝膠法優(yōu)于干濕法,而兩種凝膠紡原絲中,由萃取浴得到的原絲性能優(yōu)于由凝固浴得到的原絲,并且在拉伸