PAN預(yù)氧化纖維碳化焦油消除及控制的研究.pdf

1、對聚丙烯腈(縮寫為PAN)基碳化纖維制備過程中碳化焦油進(jìn)行消除及控制可使PAN基碳纖維在生產(chǎn)中避免受雜質(zhì)成分的污染，結(jié)構(gòu)和性能得到改善。本文對碳化焦油形成反應(yīng)及成分進(jìn)行了分析，從不同角度探索了化學(xué)處理試劑對碳化焦油消除及控制的方案，經(jīng)過不同性能測定及中試試驗(yàn)分析，優(yōu)選出了對碳化焦油能有效消除的工藝，并對此工藝進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真。該工藝的探索可為高性能聚丙烯腈基碳纖維的研制提供依據(jù)。 PAN 碳化焦油是其預(yù)氧化纖維在碳化過程中熱裂解

2、形成的多組分復(fù)雜混合物，通過預(yù)氧化纖維的熱分析、裂解分析及焦油樣品的色譜一質(zhì)譜、紅外分析確定了PAN碳化焦油的成分，戊二腈、己二腈、2-甲基戊二腈、1，3-二甲基戊二腈等丙烯腈二聚體系列物質(zhì)和l，2-二腈基苯、1，3，5-三氰基苯、1，3，5-三甲基環(huán)己烷、1，2-二腈基-4-氨基苯等丙烯腈三聚體系列物質(zhì)是碳化焦油的主要成分，同時(shí)還含有微量的環(huán)烷烴及含O、N等原子的喹啉、吡啶等化合物。 通過對PAN預(yù)氧化纖維熱裂解的紅外、元素及

3、EPR分析，借助于高聚物熱裂解反應(yīng)規(guī)律，確立了PAN碳化焦油的形成機(jī)理是PAN梯形聚合物中殘留線形鏈段主要以無規(guī)熱裂解方式降解形成的，同時(shí)伴有鏈段及原子間的原子轉(zhuǎn)移、二次反應(yīng)等高溫反應(yīng)。 從鹽酸和硫酸混合溶液、氫氧化鈉溶液使鏈段中殘留氰基水解角度進(jìn)行了焦油消除紅外分析，從甲醇和二乙胺使裂解鏈段自由基電子轉(zhuǎn)移的角度進(jìn)行了紅外和熱分析，從測試分析對比及對聚合物結(jié)構(gòu)、操作環(huán)境影響的考慮，優(yōu)選混酸預(yù)處理方法為PAN碳化焦油消除及控制方案

4、。 在中試線上，對混酸預(yù)處理方案進(jìn)行了不同試驗(yàn)條件的工藝處理，確定了用8.25mol/L，濃度的鹽酸、硫酸混合試劑在0.20～0.40ml/min用量范圍內(nèi)使用試劑控制裝置在室溫下對PAN預(yù)氧化纖維預(yù)處理工藝能較好地對形成的碳化焦油進(jìn)行消除及控制。為使混酸預(yù)處理消除及控制碳化焦油工藝更加明了，用Solidworks三維設(shè)計(jì)軟件及三維動(dòng)畫插件IPA軟件對該工藝進(jìn)行了仿真，得到了PAN碳化焦油消除工藝設(shè)備的實(shí)物圖，透視圖及工程圖，

5、同時(shí)模擬出混酸預(yù)處理碳化焦油消除及控制反應(yīng)原理效果圖。 在中試試驗(yàn)線上，對混酸處理PAN碳化焦油工藝得到的纖維進(jìn)行了結(jié)構(gòu)和性能的元素分析、熱分析、EPR、X射線衍射、裂解色譜．質(zhì)譜及強(qiáng)度、密度的表征，測試分析表明：鹽酸、硫酸混合溶液預(yù)處理工藝使預(yù)氧化纖維中殘留的氰基發(fā)生部分水解，碳化過程中引發(fā)線形鏈段的二次環(huán)化反應(yīng)，有效地消除了PAN預(yù)氧化纖維熱裂解形成的碳化焦油，同時(shí)也完善了碳纖維的結(jié)構(gòu)和性能，使處理后的碳纖維拉伸強(qiáng)度可提高