增塑熔融纺丝法制备聚丙烯腈基炭纤维原丝的研究

针对目前湿纺聚丙烯腈(PAN)纤维结构不均匀、易形成缺陷、纺丝速度慢等问题，提出采用离子液体为塑化剂，经熔融纺丝法制备PAN纤维，进行PAN共聚物序列分布调控-纤维制备-纤维结构性能的相关性等关键问题的研究。.设计双功能团单体，采用过程控制方法，进行PAN共聚物的分子设计与可控制备，实现PAN共聚物分子链及其规整性的有效控制；考察PAN熔纺组份的物理化学特性及制备过程中复杂外场对PAN熔体相态结构、流变行为调控的演变规律，揭示熔纺PAN纤维聚集态形成以及复杂外场作用下各级结构形态转变及其与最终使用性能相关性的规律；实现熔纺PAN纤维分子设计及结构形态的精确调控，为制备高性能PAN原丝和提高制备稳定性提供规律性的认识和途径。通过聚合理论、流变学理论与纺丝动力学理论的结合，开发短流程、高效快速制备熔融纺PAN纤维的新途径和新方法，对PAN基炭纤维原丝的低成本化制备技术具有重要指导意义。

本项目的研究内容和任务按计划已全面完成。项目的主要研究内容为：1.系统研究了聚丙烯腈与离子液体的相互作用力随温度的变化，证明了聚丙烯腈与离子液体之间形成了氢键相互作用力,从而保证了体系良好的增塑效果。2.鉴于增塑过程伴随着增塑剂与聚合物之间相互作用力的形成，同时发现该过程同时伴随着体系结晶度降低。因此，从熵和热焓的角度研究增塑过程就显得非常必要，将为PAN/IL体系的相转变提供重要信息。因此研究了体系的增塑过程和高温下体系相转变，体系玻璃化转变温度、熔点随体系组成的变化。并在此基础上建立一个新的模型探讨了增塑过程中体系的凝聚态结构的转变。3.通过研究体系热行为，考察了高温下体系的结构化学变化、体系环化反应的起始温度随着离子液体含量增加的变化情况。发现PAN分子链的环化反应始于无定形，进而传播到晶区。4.进一步考察了动态捏合反应场等因素对体系流变学的影响规律，证明了在增塑纺过程中形成的环化结构是一种特殊的环化结构，建立了判断熔体结构、可纺性和纺丝稳定性的相关判据。5.实现了聚丙烯腈的熔融纺丝，考察了纺丝的工艺条件、例如纺丝体系的纺丝速度、泵供量、牵伸比等对纺丝体系的分子链取向、结晶度和热交换速率的影响；及其对纤维最终性能的影响。成功制备了具有短流程、低能耗、高强度、优良结构的PAN纤维。本项目已发表标有基金资助号的英文论文6篇，其中SCI收录期刊2篇，EI收录期刊4篇，申请中国专利4项；培养青年教师1名，培养博士生2名，硕士4名。