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碳纤维用Lyocell原丝力学性能改进的研究

张慧慧  
【摘要】:本论文简要地介绍了碳纤维特别是纤维素基碳纤维及其原丝的发展概况,总结了提高和改善Lyocell纤维力学性能的研究现状,并重点介绍了纤维素相对分子质量及其分布的相关测定方法。为了改进碳纤维用Lyocell原丝的力学性能,文中用GPC方法研究了适于生产碳纤维用的Lyocell原丝的纤维素浆粕的相对分子质量及其分布,并用流变方法探讨了从纤维素/NMMO溶液的动态流变数据中预测纤维素的相对分子质量分布和多分散系数,通过其与GPC测定的结果进行对比,验证了流变法测定纤维素浆粕的相对分子质量分布的可行性。此外,本文还采用对Lyocell纤维进行热处理以及用炭黑填充Lyocell纤维等方法提高和改善Lyocell原丝的性能,并研究了热处理及炭黑的填充对Lyocell纤维及最终制备的Lyocell基碳纤维的结构与性能的影响。 采用GPC法,以0.5%LiCl/DMAc作为流动相可以测定纤维素的相对分子质量分布,国外对此已有多篇报道,但国内至今尚无报道。在没有专用GPC仪的情况下,本论文仅使用液相色谱仪的GPC附件即成功地测定了几种不同来源的纤维素的相对分子质量分布。研究表明随着纤维素浆粕聚合度的增大,所得到的Lyocell纤维的力学性能提高;生产服用的Lyocell纤维和碳纤维用Lyocell原丝的纤维素原料的相对分子质量及其分布的要求不同,生产服用Lyocell纤维要求纤维素的原料聚合度不能太大,相对分子质量分布要比较宽,而生产碳纤维用的Lyocell原丝的纤维素原料的聚合度要比较大,相对分子质量分布适中;实验还发现采用聚合度较高(DP1400)的浆粕纺丝,其可纺性较差,不能稳定连续纺丝,但在其中添加少量聚合度中等的浆粕(DP500~800),则混合浆粕的可纺性较好,且得到的Lyocell纤维力学性能也很好。这是因为这种混合浆粕的相对分子质量及其分布有其特点,它的相对分子质量分布明显变宽,高相对分子质量的峰几乎没有变化,但中低相对分子质量部分含量增多,出现了较低的相对分子质量峰,这些高相对分子质量部分赋予了产品具有好的力学性能,而中低相对分子质量部分好像增塑剂,使加工更易进行。 用流变学方法从纤维素闪MMO溶液的动态流变数据中预测纤维素的相 对分子质量分布与GPC方法测得的结果是对应的。虽然流变学法得到的微分 相对分子质量分布是正态分布,不能象GPC的结果那么直观地反映其相对分 子质量分布的细节,但是用来对照分析纤维素的相对分子质量分布还是可行 的。此外采用LlorenS提出的预测聚合物样品多分散指数M:/M,的方法,可 以从纤维素闪MMO.HZO浓溶液的流变数据中计算纤维素的多分散指数,虽 然从流变数据中计算得到的多分散指数比GPC的结果略大,但变化的规律与 GPC是一致的,且二者有一定的相关性。因此使用动态流变方法来预测和比 较不同纤维素的相对分子质量分布以及多分散指数还是非常方便和可行的。 在自制的实验室装置上对Lyocell纤维进行热处理,发现热处理能提高纤 维的断裂强度和初始模量,但是断裂伸长率下降。分析了不同的热处理温度 和热处理时间对纤维力学性能的影响,结果表明温度为160℃,时间为 12一255时效果较好。此外,热处理中施加张力可以进一步提高Lyocell纤维 的断裂强度和初始模量,但纤维的断裂伸长率也迅速下降。研究结果还表明 热处理后的Lyocell纤维结晶度有所提高,但随着张力的增加,结晶度基本不 变。此外,热处理后的晶区取向基本不变,总取向增大,故无定形区取向提 高,使热处理后的Lyocell纤维的强度和模量提高。实验还发现,Lyocell纤 维通过热处理而提高的力学性能并不能长久的维持。随着放置时间的延长, 其力学性能会逐渐下降,当放置时间超过60天以后,其力学性能回复到热处 理以前的状态,这是由于纤维素的非热塑性以及Lyocell纤维结晶的特殊性, 不能象热塑性的芳纶一样通过热处理使之再取向重新结晶来提高纤维的力学 性能。尽管如此,如果将热处理后的纤维尽快地进行碳化,还是可以提高最 终的碳纤维的力学性能。将Lyocell纤维在160℃,125定长热处理后14天制 得碳纤维,其强度可提高12%,模量提高4%左右,断裂伸长保持不变。 纳米炭黑添加剂对纤维素/NMMO纺丝液的流变性能、Lyocen原丝及最 终的碳纤维的结构和性能有很大的影响。实验发现纳米级炭黑的加入使体系 的粘度降低,但随着炭黑含量的逐渐增加,溶液粘度又逐渐增大。随着剪切 速率的增加,纤维素/NMMO·H20/炭黑溶液的表观粘度降低,表现为典型 的切力变稀行为。在动态流变实验中,炭黑的加入使溶液的粘性降低,损耗


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