木質素-丙烯腈共聚物的制備與結構性能研究.pdf

1、木質素是自然界中含量僅次于纖維素的天然高分子材料。全世界制漿造紙等工業(yè)每年產生大約5000萬噸木質素副產物，但是只有不到2％被利用。木質素主要由碳、氫、氧三種元素組成，其中碳元素的含量高達62～67%，是制備碳纖維的理想原料。然而木質素分子中存在大量羥基導致木質素分子間形成很強的氫鍵作用力，以及其致密的三維網絡結構和較低的分子量，造成了其自身很難紡絲成型。雖然前人采用木質素與聚丙烯腈（PAN）的共混或共聚體系改善了其可紡性，但是都未能實

2、現(xiàn)木質素在碳纖維領域的高效利用。
　　本論文首先采用丙烯酰氯與木質素磺酸鈣（LS）發(fā)生酯化反應制得酯化LS，在LS分子上引入不飽和C=C雙鍵，然后將其與丙烯腈進行自由基共聚反應制備木質素-丙烯腈（LS-AN）共聚物，分別采用靜電紡絲技術和濕法紡絲技術制備了LS-AN共聚物基前驅體纖維，最后通過預氧化和碳化處理得到了LS-AN共聚物基碳纖維。通過表征分別對LS-AN共聚物、LS-AN共聚物基前驅體纖維以及LS-AN共聚物基碳纖維的結

3、構與性能進行了研究。取得的主要成果如下：
　　1.當酯化LS與AN共聚之后，水溶性的LS變?yōu)橥耆蝗苡谒?。GPC結果表明，相比于酯化LS，LS-AN共聚物的分子量顯著增加。與LS和PAN均聚物相比，LS-AN共聚物的初始熱分解溫度分別提高了近80℃和30℃。這可能歸功于LS和AN之間的協(xié)同效應，使得LS-AN共聚物具有更高的熱穩(wěn)定性。
　　2.采用靜電紡絲技術制得了成型良好，表面光滑，直徑較細的LS-AN共聚物納米纖維；相比

4、于PAN納米纖維，LS-AN共聚物納米纖維具有更高的熱穩(wěn)定性，在500℃時的碳殘留量從40.4%提升到48.5%。在較高升溫速率熱處理下制得了單絲間無粘連，且表面光滑，粗細均勻的LS-AN共聚物基碳納米纖維；在碳化過程中，LS的苯酚結構有利于促進有序碳結構的形成，使得碳納米纖維的結構更為完善。
　　3.采用濕法紡絲技術制得了連續(xù)LS-AN共聚物基前驅體纖維，并與相同條件下制備的LS/PAN共混物纖維進行了對比研究。LS/PAN共混

5、物纖維存在大量孔洞缺陷，而LS-AN共聚物纖維結構致密無孔洞缺陷。這是由于LS與AN鏈段之間存在化學鍵合作用，LS-AN共聚物中的LS沒有在紡絲過程中被洗出。經預氧化和碳化處理后，制得了結構致密無孔洞缺陷LS-AN共聚物基碳纖維。LS-AN共聚物基碳纖維平均抗拉強度是LS/PAN共混物碳纖維的兩倍。最高的單絲拉伸強度達到了1.1 GPa。
　　4.采用濕法紡絲技術制備了一系列不同LS含量的LS-AN共聚物纖維，研究LS含量對LS-

6、AN共聚物及其纖維結構和性能的影響。結果表明，隨LS投料量的增加，LS-AN共聚物中LS的相對含量也相應增加，但平均分子量逐步減小，溶液剪切粘度也逐漸降低。在相同的濕法紡絲條件下，LS-AN共聚物纖維的直徑隨著LS含量的提高而變大，最終LS-AN共聚物基碳纖維的直徑也隨之變大。當LS含量小于20%時，隨著LS含量的增加，LS-AN共聚物基碳纖維的拉伸強度僅發(fā)生微小變化，但當LS含量超過20%后，LS-AN共聚物基碳纖維的拉伸強度隨LS含