PAN紡絲原液及其流變學(xué)研究.pdf

1、高性能原絲是制備優(yōu)質(zhì)碳纖維的基礎(chǔ)，性能良好的碳纖維前驅(qū)體聚丙烯腈(PAN)和高質(zhì)量的PAN紡絲原液是獲得高性能原絲的必要條件。在聚合階段，本文采用水相沉淀聚合法，制備較高分子量的丙烯腈(AN)與衣康酸(IA)的聚合物PAN。在溶解階段，選用具有較高溶解能力的有機(jī)溶劑二甲基亞砜(DMSO)和二甲基乙酰胺(DMAc)配制PAN紡絲溶液，經(jīng)過濾、脫泡后獲得實(shí)驗所需的PAN紡絲原液。通過對PAN紡絲原液進(jìn)行正交實(shí)驗和流變性研究，探討固含量、溫度

2、、分子量、剪切速率以及溶劑等因素對紡絲原液表觀黏度的影響，并擬合出相應(yīng)的流變方程。在對紡絲原液進(jìn)行上述研究過程中發(fā)現(xiàn)：采用不同的溶劑，紡絲原液的實(shí)驗數(shù)據(jù)和分析結(jié)果相差較大。因此，對紡絲原液經(jīng)壓膜、水洗、烘干、研磨后得到的PAN聚合物粉末進(jìn)行DSC、TG和XRD測試，對其熱性能和結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。
　　 PAN紡絲原液制備工藝包括烘干、溶解、脫泡、剪切和預(yù)過濾等。通過優(yōu)化制備工藝，可以獲得高質(zhì)量PAN紡絲原液。同時，紡絲原液制備工藝還

3、與選用的溶劑有關(guān)。與DMSO相比，采用DMAc為溶劑時，攪拌和脫泡時間更短、溶解溫度更低，但由于其易揮發(fā)，PAN/DMAc紡絲原液溶解過程應(yīng)在N2加壓的氛圍下進(jìn)行。
　　 通過PAN紡絲原液正交試驗發(fā)現(xiàn)，四因素對其表觀黏度的影響與溶劑有關(guān)。對于PAN/DMSO、PAN/DMAc紡絲原液，四因素對其表觀黏度影響程度分別為：固含量＞分子量＞溫度＞剪切速率；溫度＞固含量＞分子量＞剪切速率，且溫度對PAN/DMAc紡絲原液表觀黏度的影響

4、程度遠(yuǎn)大于其它三因素。
　　 對PAN紡絲原液的流變性研究表明，PAN紡絲原液表現(xiàn)出明顯的剪切變稀現(xiàn)象，屬于非牛頓流體中的假塑性流體，其表觀黏度隨分子量的增加、固含量的升高而增大。同時，PAN紡絲原液存在臨界分子量和臨界剪切速率，PAN/DMSO紡絲原液的臨界分子量和臨界剪切速率分別約為：35×104，4～8S-1;PAN/DMAc紡絲原液的臨界分子量和臨界剪切速率分別約為：27×104，1.5～2S-1，且臨界點(diǎn)不隨溫度的變化

5、而改變。在相同條件下，PAN/DMAc紡絲原液表觀黏度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于PAN/DMSO紡絲原液的表觀黏度。因此，在配制PAN紡絲原液時，要充分協(xié)調(diào)PAN聚合物分子量、溫度和固含量之間的關(guān)系，并采用合適的溶劑，從而獲得黏度合適的紡絲原液。
　　 通過PAN紡絲原液的流變曲線發(fā)現(xiàn)：在臨界分子量之前，lgη與lgM、lgη、lg(wt)、1/T存在線性關(guān)系。據(jù)此，擬合出PAN/DMSO、PAN/DMAc紡絲原液的方程分別為：1gη=-31.

6、45+5.331gM+377/T+3.531g(wt)-0.2631gγ：lgη=-10.70+2.601gM+1767/T+7.931g(wt)-0.0891gγ。根據(jù)擬合方程可以預(yù)測一定條件下PAN紡絲原液表觀黏度，為紡絲工藝提供指導(dǎo)
　　 PAN紡絲原液流變特性指數(shù)的研究發(fā)現(xiàn):黏流活化能隨固含量的升高而增大，隨分子量、剪切速率的增加逐漸減?。环桥ｎD指數(shù)隨溫度升高而增大，隨分子量、固含量的增加而減?。唤Y(jié)構(gòu)指數(shù)隨固含量、分子量

7、增加而增大，隨溫度升高而減小，且因分子量變化引起的結(jié)構(gòu)指數(shù)的變化幅度，要遠(yuǎn)大于因固含量、溫度變化引起的變化幅度。同時，與PAN/DMAc紡絲原液相比，PAN/DMSO紡絲原液的黏流活化能和結(jié)構(gòu)黏度指數(shù)較大，非牛頓指數(shù)較小。
　　 通過DSC、TG、和XRD分析發(fā)現(xiàn)：溶解過程中，PAN聚合物基團(tuán)未發(fā)生改變；溶劑破壞了PAN的結(jié)晶區(qū)域，使PAN的結(jié)晶度降低，且與選用DMSO相比，選用DMAc為溶劑配制的紡絲原液對PAN結(jié)晶區(qū)域的破壞