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PAN碳纤维原丝凝胶纺丝原液流变性能研究

徐海峰  
【摘要】: 碳纤维具有高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀等一系列的优异性能。作为先进复合材料的增强纤维,目前已被广泛的应用在各个领域。我国与国外的聚丙烯腈(PAN)碳纤维差距巨大,特别是高性能PAN原丝方面的工作还比较欠缺,原丝质量已经成为阻碍国内高性能碳纤维发展的瓶颈。 从流变学的观点来看,聚丙烯腈溶液是一种非牛顿弹性粘流体。这种性质是它本身结构的一种反映,也是成形过程中流变行为的内因。测定和研究原液的流变性以及影响流变性的因素,是探索纺丝原液结构,了解其变化规律的一种简便而有效的方法。聚丙烯腈浓溶液的纺丝稳定性、均一性、纺丝最佳工艺条件以及纤维质量控制都与原液的流变性能密切相关。 本实验主要通过流变测试等手段,对非溶剂的种类和含量进行了研究,对浓溶液的取向及其保持、浓溶液的均一性、稳定性、凝胶化转变温度的影响和溶液的非牛顿流变行为进行了研究。获得的结论如下: PAN溶液在进行静态流变测试时,不同的非溶剂在不同的测试温度下都不影响溶液流变曲线的走势。溶液中无论是不加非溶剂、加水还是加乙醇,在较低的剪切速率下,随温度的升高,流动曲线都下移。在较低的剪切速率下,随着非溶剂量的增加,流变曲线先是下移然后又上移;在高剪切速率区,流变曲线基本上趋于重叠;而随着温度的升高,水和乙醇对流变曲线的上移的影响都不明显;水的非溶剂性更强,更容易促使溶液发生凝胶化。浓溶液受到剪切取向再经过短时间松弛后有较好的保持取向的能力,这对纺丝时提高取向度是有好处的。 PAN/DMSO/H_2O溶液随着温度的降低或非溶剂H_2O含量的提高,其粘、弹性模量都会升高。对于同一种含量的实验样品来说:在不同的温度时,溶液具有不同的状态和均一性,均一性发生改变与溶液发生凝胶化转变密切相关;对于不同非溶剂含量的样品来说,在同一温度下也具有不同的均一性表现。为了提高原丝的质量我们应该尽量避免浓度致变凝胶化的出现。随着凝胶化温度的提高,PAN原丝截面孔洞尺寸和数量随之增加,在凝固浴温度为-5℃的时候,此时由于淬火深度很高,在很短的时间内便已经发生凝胶化并随之凝固成型,因此形成的原丝结构均一致密。 PAN溶液是切力变稀体,流变图中没有牛顿区域存在,溶液具有非牛顿性。水含量和PAN浓度越高溶液非牛顿流变行为越突出,结果和溶液的非牛顿指数n相一致。溶液的弹性很小,它基本上不会对溶液非牛顿流变行为产生影响,溶液的非牛顿流变行为很可能是由于应变的不断累积所导致的。 在上述实验过程中,我们可以看到:对于PAN为20%含量的浓溶液,其较好的纺丝工艺参数是:溶液温度为70℃,非溶剂含量5%-6%,低温凝固浴的温度在较低为好。


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