共聚单体与聚丙烯腈原丝及其碳纤维结构性能的相关性研究

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1、山东大学硕士学位论文摘要通过丙烯腈(AN)与合适单体的共聚合反应，可以获得结构和性能优异的聚丙烯腈(PAN)原丝，本文从PAN合成着手，研究了不同共聚单体对PAN原丝及其碳纤维结构与性能的影响。为高性能PAN原丝及其碳纤维的研制提供依据。采用衣康酸0A)、丙烯酰胺(AM)、丙烯酸甲脂(MA)和甲基丙烯酸甲脂(MMA)四种共聚单体分别与AN进行了自由基溶液共聚合反应，讨论了不同共聚单体对聚合反应动力学及共聚物性能的影响，并通过差示扫描量热分析fDSC)对共聚物热性能进行了对比研究。结果发现：随IA含量的增加，AN／IA体系反应速率明显下降。与其它单体相比AM可更有效地

2、降低PAN原丝的预氧化温度，缓和放热，而且AN／AM共聚物的DSC放热峰具有特别明显的分峰现象。对AN共聚物及其原丝的DSC放热峰的研究结果发现，影响共聚物放热峰形状的主要因素是共聚单体的种类和共聚单体在共聚物中的含量。而纺丝、溶解、氨改性等加工过程对PAN的DSC放热峰影响不大。通过适当的共聚单体和配比的设计可以得到与日本原丝放热蜂相似的共聚物或原丝。通过元素分析(EA)，利用经典的K．T方法计算了AN与IA在二甲基亚砜fDMSO)@进行溶液聚合的单体竞聚率，rAlq=0．49，rlA=2．146。根据计算机的计算结果，随着转化率不同，AN／IA共聚物中IA的含量

3、相差较大，反应初期大多数的IA共聚单体参加反应。随着反应的进行，IA在某瞬间形成的共聚物中其摩尔分数逐渐变小。采用MonteCarlo方法，对AN／IA、AN／丙烯酸(AA)和AN／甲基丙烯酸(MAA)共聚物的组成进行了模拟。通过比较，与文献中提供的实验结果基本一致。同时采用MonteCarlo方法模拟了以上三种体系在不同配比下共聚物的序列分布，结果发现可以通过控制单体的配比来控制共聚物的序列分布。在实际合成中，要获得均匀的序列结构，就可以通过降低第二单体投料比法或滴加单体法来实现。摘要通过低温和高温DSC、傅里叶红外光谱(FT-IR)和一些传统的实验方法，例如密度

4、、溶解度和机械性能的测定，讨论了不同PAN原丝在预氧化、碳化过程中性能和结构的演变规律。结果表明：不同共聚单体组成的PAN原丝，由于其微观结构，热性能等的差异，最终获得的碳纤维性能也就不同。通过对自纺原丝与日本原丝的DSC放热峰和FT-IR的对比分析，推断出日本原丝中可能含有酰胺基团。同时，在相同实验条件下，日本原丝最终制得的碳纤维性能要优于自纺原丝。本论文讨论了不同共聚单体对AN共聚物及其PAN原丝结构与性能的影响，其研究结果为制备高性能的PAN原丝及碳纤维提供了理论指导。同时运用理论计算和MonteCarlo模拟，对PAN原丝的组成及序列结构进行统计分析，为设计

5、PAN的分子结构提供了指导。关键词：聚丙烯腈；共聚单体；共聚合：MonteCarlo模拟II山东大学硕士学位论文ABSTRACTAcrylicpolymersapplicabletohighperformancepolyacrylonitrile(PAN)precursorscanbepreparedbycopoIymerlzationofacryIonitr¨e(AN)withoptimumcomonomers．Inthispaper．effectofdifferentcomonomersonstructureandpropertiesofANcopolymers

6、wasstudied．TheformationandevolutionofstructureandpropertiesofthePANprecursorsduringpreoxidationandcarbonizationweresystematicallyinvestigatedbythecombinationoflow--temperatureandhigh··temperaturedifferentialscanningcalorimetry(DSC)，Fouriertransforminfrared(FT-IR)andsometraditionalmeasu

7、rements．suchasdensity，solubilityandmechanicalproperties．Free—radicalsolutioncopolymerizationofANwithitaconicacid(IA)，methacrylate(MA)。acrylamide(AM)andmethylmethacrylate(MMA)ascomonomerswascarriedout．respectively．1nfluenceofcomonomersonthepolymerizationkineticsandstabilizationexother