碳纤维用聚丙烯腈原丝聚合体系的研究

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1、北京化工大学硕士学位论文碳纤维用聚丙烯腈原丝聚合体系的研究姓名：白会涛申请学位级别：硕士专业：化学指导教师：刘杰20100603碳纤维用聚丙烯腈原丝聚合体系的研究摘要高性能碳纤维的研发趋势要求前驱体的高纯化和结构均质化，然而，从一开始人们就在聚合体加入第二、三单体用以拓宽聚合体放热性和改善成纤性。因此，如何在聚合体结构中只加入一种共聚单体的同时满足聚合物环化放热与成纤的需求的相关研究J一直是碳纤维研究领域的难点与热点之一。首先以丙烯腈为主单体，丙烯酸甲酯、衣康酸为共聚单体，偶氮t二异丁腈为引发剂，通过调节各实验参数在N，N．二甲基

2、甲酰胺(DMF)中合成了聚丙烯腈(PAN)纺丝原液。通过对单体转化率、分子量、差示扫描量热仪(DSC)的分析，讨论了各实验参数(如单体浓度、聚合时间、引发剂浓度和聚合温度)对转化率、分子量以及共聚PAN热性能的影响，并应用红外光谱、核磁共振氢谱等手段初步分析了共聚PAN的结构。结果表明：即使实验时间达到48h，各实验参数即使略有变化，单体转化率至多达到50％左右；引发剂浓度和单体浓度是溶液分子量的主要影响因素，通过调节这两个实验参数，可以明显改变分子量；共聚单体的加入对PAN的热性能有显著影响，使共聚PAN放热峰明显变宽，且放热量

3、比均聚PAN明显降低。然后，以衣康酸，及甲醇，乙醇，丙醇，丁醇，异丙醇，异丁醇为底物，通过选择性酯化反应合成出了相应的p．衣康酸系列单酯。700下以AIBN为引发剂在DMF中以Fineman—Ross法和Kelen．Tudos法r北京化T大学硕十学位论文分别测定了各p．衣康酸单酯与丙烯腈的表观竞聚率。发现Fineman．Ross法所测定的p一衣康酸单异丁酯(MIBI)与丙烯腈(AN)之间共聚合反应的表观竞聚率分别为翰严O．523、rMIBI=2．001，rANXrMIBl=1．047≈l说明AN／MIBI共聚体系接近一般理想共聚。

4、应用差示扫描量热法(DSC)研究了p．衣康酸单异丁酯含量、气氛、升温速率对P(AN．CO．MIBI)共聚物热稳定化的影响。结果表明，MIBI使共聚物的放热起始温度显著降低，放热峰拓宽，放热速率减小，但气氛对P(AN．CO．MIBI)放热峰起始温度影响不大。这表明在热稳定化过程中以离子机理引发环化反应，再发生氧化反应。随着升温速率的提高，反应起始温度逐渐向高温区移动，放热量逐渐变小，峰型由拓宽的两个峰逐渐向一个峰变化。随着MIBI含量的增大，共聚物与水之间的接触角从62．50增加到80．50，这表明MIBI未能改善共聚PAN的亲水性

5、。广角X射线衍射数据得到共聚物比均聚物的结晶度小，晶粒尺寸则小的得多，这说明MIBI能够改善分子链的规整度，增加了链的柔顺性，改善了可纺性。关键词：聚丙烯腈，差示扫描量热法，p．衣康酸单酯，竞聚率，碳纤维AbstractTHESTUDYoNCARBoNFIBERPRECURSoRCoPoLYMERIZATIONSYSTEMABSTRACTPreparationofhighperformancecarbonfiberdemandsprecursortobeultra—purifiedandtohavehomogeneousstruc

6、ture．However,comonomerandeventhesecondcomonomerhavebeenaddedtotheprecursortobroadenexothermicpeakandimprovethespinnabilityatthebeginning．Soithasbeenadifficultpointandhotpointinthecarbonfiberareatoreaserchhowtosatisfytheexothermicandsppinnabilityrequirementandjustaddon

7、ekindcomonomeratthesametime．Firstly,freeradicalcopolymerizationofANwithMA、IAinitiatedbyAIBNwereinvestigatedinDMF,byadjustingtheparametersoftheexperiment．Throughtheconversionofcopolymerization，themolecularweight，DSC，FT-IR，and1H-NMRanalysis，wediscussedthevariousexperime

8、ntalparametersontheconversionofcopolymerization，themolecularweightandthermalpropertiesofPAN．Theresultsshowedthat：eventhedura