木質(zhì)素-丙烯腈共聚物的制備與結(jié)構(gòu)性能研究.pdf

1、木質(zhì)素是自然界中含量僅次于纖維素的天然高分子材料。全世界制漿造紙等工業(yè)每年產(chǎn)生大約5000萬噸木質(zhì)素副產(chǎn)物，但是只有不到2％被利用。木質(zhì)素主要由碳、氫、氧三種元素組成，其中碳元素的含量高達(dá)62～67%，是制備碳纖維的理想原料。然而木質(zhì)素分子中存在大量羥基導(dǎo)致木質(zhì)素分子間形成很強(qiáng)的氫鍵作用力，以及其致密的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和較低的分子量，造成了其自身很難紡絲成型。雖然前人采用木質(zhì)素與聚丙烯腈（PAN）的共混或共聚體系改善了其可紡性，但是都未能實(shí)

2、現(xiàn)木質(zhì)素在碳纖維領(lǐng)域的高效利用。
　　本論文首先采用丙烯酰氯與木質(zhì)素磺酸鈣（LS）發(fā)生酯化反應(yīng)制得酯化LS，在LS分子上引入不飽和C=C雙鍵，然后將其與丙烯腈進(jìn)行自由基共聚反應(yīng)制備木質(zhì)素-丙烯腈（LS-AN）共聚物，分別采用靜電紡絲技術(shù)和濕法紡絲技術(shù)制備了LS-AN共聚物基前驅(qū)體纖維，最后通過預(yù)氧化和碳化處理得到了LS-AN共聚物基碳纖維。通過表征分別對LS-AN共聚物、LS-AN共聚物基前驅(qū)體纖維以及LS-AN共聚物基碳纖維的結(jié)

3、構(gòu)與性能進(jìn)行了研究。取得的主要成果如下：
　　1.當(dāng)酯化LS與AN共聚之后，水溶性的LS變?yōu)橥耆蝗苡谒?。GPC結(jié)果表明，相比于酯化LS，LS-AN共聚物的分子量顯著增加。與LS和PAN均聚物相比，LS-AN共聚物的初始熱分解溫度分別提高了近80℃和30℃。這可能歸功于LS和AN之間的協(xié)同效應(yīng)，使得LS-AN共聚物具有更高的熱穩(wěn)定性。
　　2.采用靜電紡絲技術(shù)制得了成型良好，表面光滑，直徑較細(xì)的LS-AN共聚物納米纖維；相比

4、于PAN納米纖維，LS-AN共聚物納米纖維具有更高的熱穩(wěn)定性，在500℃時的碳?xì)埩袅繌?0.4%提升到48.5%。在較高升溫速率熱處理下制得了單絲間無粘連，且表面光滑，粗細(xì)均勻的LS-AN共聚物基碳納米纖維；在碳化過程中，LS的苯酚結(jié)構(gòu)有利于促進(jìn)有序碳結(jié)構(gòu)的形成，使得碳納米纖維的結(jié)構(gòu)更為完善。
　　3.采用濕法紡絲技術(shù)制得了連續(xù)LS-AN共聚物基前驅(qū)體纖維，并與相同條件下制備的LS/PAN共混物纖維進(jìn)行了對比研究。LS/PAN共混

5、物纖維存在大量孔洞缺陷，而LS-AN共聚物纖維結(jié)構(gòu)致密無孔洞缺陷。這是由于LS與AN鏈段之間存在化學(xué)鍵合作用，LS-AN共聚物中的LS沒有在紡絲過程中被洗出。經(jīng)預(yù)氧化和碳化處理后，制得了結(jié)構(gòu)致密無孔洞缺陷LS-AN共聚物基碳纖維。LS-AN共聚物基碳纖維平均抗拉強(qiáng)度是LS/PAN共混物碳纖維的兩倍。最高的單絲拉伸強(qiáng)度達(dá)到了1.1 GPa。
　　4.采用濕法紡絲技術(shù)制備了一系列不同LS含量的LS-AN共聚物纖維，研究LS含量對LS-

6、AN共聚物及其纖維結(jié)構(gòu)和性能的影響。結(jié)果表明，隨LS投料量的增加，LS-AN共聚物中LS的相對含量也相應(yīng)增加，但平均分子量逐步減小，溶液剪切粘度也逐漸降低。在相同的濕法紡絲條件下，LS-AN共聚物纖維的直徑隨著LS含量的提高而變大，最終LS-AN共聚物基碳纖維的直徑也隨之變大。當(dāng)LS含量小于20%時，隨著LS含量的增加，LS-AN共聚物基碳纖維的拉伸強(qiáng)度僅發(fā)生微小變化，但當(dāng)LS含量超過20%后，LS-AN共聚物基碳纖維的拉伸強(qiáng)度隨LS含