高性能聚丙烯腈原絲制備工藝優(yōu)化.pdf

1、本文以丙烯腈(AN)、丙烯酸甲酯(MA)、衣康酸(IA)為共聚單體進(jìn)行溶液聚合，研究了聚丙烯腈(PAN)原絲的濕法紡絲工藝。借助掃描電鏡(SEM)、電子探針(EMPA)、X-ray衍射，測(cè)試了實(shí)驗(yàn)原絲的強(qiáng)纖度、斷裂伸長(zhǎng)率、密度、孔隙率、沸水收縮率、結(jié)晶取向度和晶粒尺寸。系統(tǒng)研究了油劑、干燥致密化和飽和蒸汽牽伸對(duì)PAN原絲結(jié)構(gòu)與性能的影響，為制備為細(xì)旦化、高強(qiáng)化、致密化、均質(zhì)化、細(xì)晶化的高性能PAN原絲提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。預(yù)測(cè)了原絲纖度，對(duì)牽

2、伸工藝進(jìn)行了優(yōu)化。利用MonteCarlo方法對(duì)AN/MA/IA三元共聚物序列結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模擬，為合成序列結(jié)構(gòu)分布均勻的紡絲原液提供理論依據(jù)。 纖度是表征高性能原絲的一個(gè)重要指標(biāo)，通過(guò)測(cè)試紡絲原液密度和固含量對(duì)纖度進(jìn)行預(yù)測(cè)，合理分配牽伸比，實(shí)現(xiàn)細(xì)旦化原絲牽伸工藝可控化。 利用MonteCarlo方法對(duì)AN/MA/IA三元共聚物組成及分子鏈的序列結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，探討了共聚單體對(duì)共聚物分子鏈序列結(jié)構(gòu)的影響，與具體實(shí)驗(yàn)比較可知AN

3、/MA/IA以98∶0.7∶1.3的單體配比可以得到比較理想的序列結(jié)構(gòu)；聚合過(guò)程中采用分批加入第二單體衣康酸的方法可獲得均勻性較高的序列結(jié)構(gòu)。 上油是保證紡絲順利進(jìn)行，改善纖維性能的關(guān)鍵步驟。為減少油劑的浸透，降低微小孔隙發(fā)生的幾率，提高致密化效果，分兩個(gè)階段進(jìn)行上油。第一道油劑在沸水牽伸之后干燥致密化之前，第二道油劑在蒸汽牽伸之后熱定型之前。討論了幾種油劑對(duì)原絲性能和預(yù)氧化效果的影響。使用改性氨基硅油劑后原絲毛絲和斷頭明顯減少

4、，粘連及并絲現(xiàn)象得到較好控制；可制得低纖度、高強(qiáng)度和高斷裂伸長(zhǎng)率原絲；預(yù)氧化過(guò)程放熱緩和，可獲得較高的環(huán)化度，利于增加預(yù)氧化牽伸獲得高強(qiáng)度碳纖維。改性氨基硅油劑性能基本達(dá)到進(jìn)口專(zhuān)用油劑指標(biāo)，可用作PAN原絲專(zhuān)用油劑。 致密化有驅(qū)除水分和結(jié)構(gòu)致密化兩個(gè)目的，應(yīng)在高于PAN原絲玻璃化溫度的熱輥上進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)中采用五級(jí)熱輥進(jìn)行干燥致密化。致密化過(guò)程絲束發(fā)生熱收縮現(xiàn)象，應(yīng)施加一定的負(fù)牽伸控制絲束張力以避免缺陷的形成。隨干燥時(shí)間增加，原絲密

5、度、拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率和沸水收縮率均先增加后降低。晶粒結(jié)晶尺寸隨溫度升高而增大。選擇熱輥溫度為140℃，致密化時(shí)間65.0s，制得均質(zhì)化、致密化、細(xì)晶化的高性能原絲。提高致密化熱輥的表面光潔度，采用新的加熱方式提高致密化熱輥溫度的均勻性，防止局部過(guò)熱，可以減少表面劃痕和燙傷缺陷的形成，提高原絲的表觀質(zhì)量和力學(xué)性能。 采用高壓飽和蒸汽牽伸可獲得較大牽伸倍數(shù)，制備細(xì)旦化原絲。研究了蒸汽壓力(溫度)對(duì)牽伸倍數(shù)的影響，牽伸倍數(shù)對(duì)原絲性

6、能的影響，牽伸壓力對(duì)原絲性能的影響。在高壓飽和蒸汽室中牽伸時(shí)，溫度高于原絲的玻璃化溫度，同時(shí)水蒸氣起到溶脹增塑的作用，降低了纖維的玻璃化溫度和牽伸過(guò)程中產(chǎn)生的張力，使大分子鏈段運(yùn)動(dòng)能力加強(qiáng)，利于高倍牽伸；預(yù)牽伸4.5倍，蒸汽壓力0.50MPa(151.7℃)時(shí)，隨蒸汽牽伸倍數(shù)增加纖度降低，結(jié)晶度和取向度均有所增加，原絲拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率、密度和沸水收縮率在2.8倍時(shí)達(dá)到最佳狀態(tài)；隨著蒸汽牽伸倍數(shù)增加，原絲內(nèi)應(yīng)力增加，導(dǎo)致沸水收縮率增加