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碳纤维具有高强、高模、耐高温、耐腐蚀等一系列的优异性能,近几十年来得到了突飞猛进的发展。碳纤维的高强、高模特性取决于原丝的种类、性能以及预氧化、碳化过程的工艺条件等因素。原丝是影响碳纤维性能的主要因素之一。优质聚丙烯腈(PAN)原丝是制取高性能碳纤维的理想原料。目前我国在高性能碳维,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。本课题将采用二甲基亚砜(DMSO)作溶剂,采用干湿法纺丝工艺,研究了纺丝及二次高温拉伸工艺条件对聚丙烯腈纤维原丝结构性能的影响,这是制取高性能PAN原丝的基础。 在文章的前言部分我们阐述了碳纤维的发展历史及现状,高性能PAN原丝的质量指标以及影响纺丝过程及原丝质量的诸因素,作为实验工作的理论基础。 为了提高纺丝原液的可纺性,利用德国HAAKE公司RS150L型锥板式流变仪测试了PAN/DMSO溶液的流变学性质,并做了理论分析。研究结果表明,在较低的剪切速率下,随温度的升高,浓度的降低及分子量的减小流动曲线下移,并且开始向非牛顿区转变的临界切变速率增大。在较高剪切速率下,较高温度、较低浓度及较小分子量条件下溶液的粘度较高。 在一定的浓度和剪切速率下PAN/DMSO溶液的粘度随温度的提高按指数关系下降,即符合Arrhenius方程式。随着剪切速率的增加,浓度的降低及分子量的减小,PAN/DMSO溶液的粘流活化能减小。、、东华大学硕士学位论文PAN/D MSO溶液的流变性能及干湿纺可纺性能的研究PAN/DMSO溶液的非牛顿指数n<1,为假塑性流体,当剪切速率增大时,粘度变小,出现切力变稀现象。随着温度的升高,浓度的降低及分子量的减小,n的数值更加趋近于1,即其流变行为趋近于牛顿流体的流变行为。 研究分析了干湿纺普通相对分子量和超高相对分子量PAN/DMSO原液触变性与天生缠结解缠的关系及反触变性与非天生缠结形成的关系,溶液触变性与反触变性是由大分子天生缠结与非天生缠结机理所致。天生缠结是在聚合时产生,通过剪切等外加力场的作用使其松解,解除后不会再行成。而非天生缠结是由于分子间力所致比之于天生缠结来说非常微弱。 通过对干湿纺PAN/DMSO纺丝流变性能的研究,确立了分子量、温度、浓度、剪切速率四种主要因素对纺丝原液粘度的影响,并通过正交实验分析法得出四因素影响的主次顺序结合基本的工艺原理,应用多元回归分析确定分子量,温度,剪切速率,浓度与干喷湿纺PAN/DMSO原液粘度的定量关系,得出纺丝原液的复合流变方程。使 该对粘度的判断与预测更为直观与准确,为遏一步控制PAN原丝的稳定纺制,提供了新的实验方法与理论基础本实验作者研究发现随着温度 的升高。 零切粘度、最大松弛时间、结构化粘度指数、孔口胀大比下降,流动曲线下移,而非牛顿指数增大,从而使溶液的流动性提高。实验 测得所配制的PAN/DMSO原液的Ea为23.O6KJ/m。。在温度从45℃一75℃的范围随着温度的升高,可纺性逐渐变好在75℃一90℃,随着