聚丙烯腈溶液的化学老化及流变行为研究

作     者：黄焱培 

作者单位：长春工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张会轩

授予年度：2024年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：聚丙烯腈溶液 化学老化 红外光谱 流变性 

摘      要：聚丙烯腈基碳纤维作为制备碳纤维的主要前驱体,在航空航天、国防军事、体育用品和医疗器械等领域被广泛应用。由于聚丙烯腈熔融温度低于分解温度,只能采用溶液纺丝法制备高质量的聚丙烯腈原丝。聚丙烯腈纺丝液的质量在很大程度上影响聚丙烯腈原丝的微观结构和力学性能,最终影响成品碳纤维的质量和性能。聚丙烯腈纺丝液在制备、储存和运输过程中长时间处于高温的环境下,长时间伴热会使其发生化学老化,溶液中聚合物的化学结构和溶液流变特性受到影响。聚丙烯腈纺丝液的老化机理研究对于预防老化凝胶出现、提高纺丝液的质量有重要作用。 本文探究了温度、聚合物组成、溶剂以及非溶剂水对于聚丙烯腈纺丝溶液的化学老化后的分子结构和溶液黏度的影响,基于实验结果总结了不同因素影响下的溶液化学老化机理。实验结果表明,在常用的三种有机溶剂中均聚聚丙烯腈(PAN)溶液的热稳定性次序为PAN/二甲基亚砜(DMSO)PAN/二甲基乙酰胺(DMAc)PAN/二甲基甲酰胺(DMF),对于PAN/DMSO和PAN/DMAc体系,化学老化过程中少量的分子链内氰基交联反应降低了内聚能密度,使溶液黏度降低;对于PAN/DMF体系,当温度超过180℃时,倾向于分子链间的交联反应,黏度急剧增大,溶液出现凝胶化。非溶剂水作为小分子促进PAN/DMAc体系发生分子链内交联结构生成,导致溶液黏度降低更多;共聚的聚丙烯腈溶液先发生由共聚单体引发的环化反应,使分子间距离增加,更倾向于发生分子链间的氰基交联反应,导致溶液黏度增加。 借助流变学手段研究了温度、聚合物组成和非溶剂水对于化学老化后聚丙烯腈溶液粘弹性和均质性的影响。实验结果表明随着老化温度升高和时间增加,均聚的聚丙烯腈溶液因发生分子链内交联反应,溶液粘弹性降低,增加了分子链在溶液中的不均匀性;共聚的聚丙烯腈溶液因发生分子链间交联反应,溶液粘弹性增加,呈现从液体向固体转变趋势,溶液的不均匀性提高。综上,聚丙烯腈纺丝溶液发生化学老化使溶液的可纺性变差,不利于溶液纺丝。