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，測試了實驗原絲的強纖度、斷裂伸長率、密度、孔隙率、沸水收縮率、結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PAN原絲結構與性能的影響，為制備為細旦化、高強化、致密化、均質化、細晶化的高性能PAN原絲提供了實驗依據(jù)。預測了原絲纖度，對牽

2、伸工藝進行了優(yōu)化。利用MonteCarlo方法對AN/MA/IA三元共聚物序列結構進行了模擬，為合成序列結構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重要指標，通過測試紡絲原液密度和固含量對纖度進行預測，合理分配牽伸比，實現(xiàn)細旦化原絲牽伸工藝可控化。 利用MonteCarlo方法對AN/MA/IA三元共聚物組成及分子鏈的序列結構進行模擬，探討了共聚單體對共聚物分子鏈序列結構的影響，與具體實驗比較可知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構；聚合過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構。 上油是保證紡絲順利進行，改善纖維性能的關鍵步驟。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，分兩個階段進行上油。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。討論了幾種油劑對原絲性能和預氧化效果的影響。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、高強度和高斷裂伸長率原絲；預氧化過程放熱緩和，可獲得較高的環(huán)化度，利于增加預氧化牽伸獲得高強度碳纖維。改性氨基硅油劑性能基本達到進口專用油劑指標，可用作PAN原絲專用油劑。 致密化有驅除水分和結構致密化兩個目的，應在高于PAN原絲玻璃化溫度的熱輥上進行，實驗中采用五級熱輥進行干燥致密化。致密化過程絲束發(fā)生熱收縮現(xiàn)象，應施加一定的負牽伸控制絲束張力以避免缺陷的形成。隨干燥時間增加，原絲密

5、度、拉伸強度、斷裂伸長率和沸水收縮率均先增加后降低。晶粒結晶尺寸隨溫度升高而增大。選擇熱輥溫度為140℃，致密化時間65.0s，制得均質化、致密化、細晶化的高性能原絲。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，提高原絲的表觀質量和力學性能。 采用高壓飽和蒸汽牽伸可獲得較大牽伸倍數(shù)，制備細旦化原絲。研究了蒸汽壓力(溫度)對牽伸倍數(shù)的影響，牽伸倍數(shù)對原絲性

6、能的影響，牽伸壓力對原絲性能的影響。在高壓飽和蒸汽室中牽伸時，溫度高于原絲的玻璃化溫度，同時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程中產(chǎn)生的張力，使大分子鏈段運動能力加強，利于高倍牽伸；預牽伸4.5倍，蒸汽壓力0.50MPa(151.7℃)時，隨蒸汽牽伸倍數(shù)增加纖度降低，結晶度和取向度均有所增加，原絲拉伸強度、斷裂伸長率、密度和沸水收縮率在2.8倍時達到最佳狀態(tài)；隨著蒸汽牽伸倍數(shù)增加，原絲內(nèi)應力增加，導致沸水收縮率增加