关键词： 纤维
聚丙烯腈纳米纤维（精选八篇）
聚丙烯腈纳米纤维 篇1
1 实验部分
1.1 原料
所用原丝为经过相同的湿法纺丝工艺得到的PAN纤维与CNT/PAN复合纤维, 所用CNT经化学反应, 接枝上丙烯腈聚合物。
1.2 纤维的热处理
将PAN纤维与CNT/PAN复合纤维分别在230℃, 空气气氛下经过30min、60min、90min、120min热处理, 得到不同热处理程度的纤维。
1.3 测试表征
1.3.1 红外光谱分析 (FT-IR)
使用Thermo Electron公司生产的Nicolet 5700型傅立叶变换红外光谱仪, 采用KBr压片法对PAN纤维与CNT/PAN复合纤维热处理前后样品进行红外光谱分析。
利用红外光谱计算相对环化率η, 计算公式如下[5]:
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式中, IC=N—1590cm-1处-C=N伸缩振动的吸收峰强度;
IC≡N—2240cm-1处-C≡N伸缩振动的吸收峰强度。
1.3.2 差示扫描量热分析 (DSC)
采用Perkin Elemer公司的Pyris型差示扫描量热仪, 分别在空气和N2气氛下测定原丝和热处理后纤维的放热行为。测试条件:扫描范围为25～400℃, 升温速率为5℃/min。
根据空气气氛中原丝和经不同程度热处理后纤维的热焓值可计算纤维的相对热处理程度, 计算公式如下:
相对热反应程度undefined
式中, HU—空气气氛中原丝的放热量;
HO—空气气氛中热处理后纤维的放热量。
2 结果与讨论
2.1 热处理过程中纤维的特征结构变化规律
图1是PAN纤维与CNT含量为0.1%的CNT/PAN复合纤维的原丝以及在230℃经不同时间热处理后纤维的红外谱图, 从图可以看出, 随着热处理时间的延长, 代表-C≡N特征的2240cm-1处吸收峰强度明显减弱, 随之在1590cm-1处出现由-C≡N热分解环化形成的-C=N结构的特征伸缩振动吸收峰。
图2是对图1中-C≡N与-C=N特征峰的吸收强度经式 (1) 计算得到的热处理前后CNT/PAN复合纤维与PAN纤维的相对环化率与热处理时间的关系图, 由图可以看出, 经实验设计的热处理后, CNT/PAN复合纤维的相对环化率高于PAN纤维, 表明CNT的存在, 使纤维在热处理过程中, 有更多的-C≡N发生热分解环化反应, 形成更多的-C=N结构。其原因是由于经化学反应后的CNT表面含有大量的活泼碳原子, 使得相邻的-C≡N基团反应活性增加。同时由于CNT具有良好的导热性, 使得在热处理过程中, 纤维的传热更加容易。多种因素的协同效应, 促进了CNT/PAN复合纤维中-C≡N的分解环化反应, 导致了CNT/PAN复合纤维的相对环化率较高。
2.2 热处理过程中纤维热反应程度的变化规律
在热处理过程中, PAN纤维会发生环化、脱氢、氧化等一系列反应。对热处理前后纤维的红外分析已表明, CNT对纤维中的-C≡N分解和-C=N结构的形成产生显著的作用。采用差热分析也表明, 含有CNT的PAN复合纤维, 在相同的热处理条件下, PAN大分子发生了更大程度的热反应。
图3是空气气氛中, PAN纤维与CNT含量为1%的CNT/PAN复合纤维经热处理前后样品的DSC图。其中, 针对纤维在差热分析过程中的单位热焓参数变化规律 (如图4) 。表明, 随着热处理过程的进行, 纤维中可再发生热反应的结构含量下降, 这与纤维中大分子特征官能团变化的红外表征结果是一致的。
纤维相对热反应程度的变化规律如图5, 结果显示, 热处理过程使得纤维的相对热反应程度提高, 其中, 含有CNT的复合纤维, 由于CNT的多因素作用, 导致其相对热反应程度更高。
与图2中相对环化率随热处理时间的变化趋势相比, 在热处理后期, 虽然PAN大分子中-C≡N热分解形成-C=N的反应速度明显下降, 但由于纤维分子发生脱氢、氧化等系列反应, 使得纤维的综合反应程度持续增高, 而由于CNT的特殊作用, CNT/PAN复合纤维的热反应程度增加效果更明显, 这进一步表明CNT的加入, 可使PAN大分子的热反应程度更高。
2.3 预热处理纤维的后热反应特征
PAN纤维经本方法设计的热处理条件处理后, 纤维中反应性官能团-C≡N的含量明显下降;有氧条件下的差热分析也表明, 其反应热焓值明显下降 (图2、图4) 。将热处理后纤维进行无氧条件下的差热分析, 得到图6结果, 显示当热处理时间较短时 (热处理时间小于60min) , 无氧条件下的反应热焓值基本不变;当热处理时间较长时, 反应热焓值才出现下降趋势。表明常规的热处理后纤维再经受无氧热处理时, 纤维存在两类主体反应, 一是纤维在有氧热处理时结合了一定量的氧元素, 使得纤维在进一步经受无氧热处理时, 纤维内部发生结合氧参与的脱氢等氧化反应;二是纤维中剩余的反应性官能团-C≡N继续发生分解环化反应, 两者都对纤维的反应热焓产生作用。
当纤维经受较短的热处理时间时, 纤维结合的氧所产生的后反应热效应弥补了-C≡N含量下降所引起的反应热下降, 表现在DSC热焓值上, 表观热焓值基本不随热处理时间变化;当纤维经受较长时间热处理时, 纤维结合的氧所产生的后反应热效应难以弥补-C≡N含量下降所引起的反应热降低, 显示出纤维DSC表观热焓值随热处理时间而降低。相对而言, 含有CNT的复合纤维, 由于在热处理过程中更多的-C≡N发生了分解, 当再经受无氧热处理时, 其热焓值下降幅度更大。
3 结 论
(1) CNT可有效促进CNT/PAN复合纤维中-C≡N的热分解环化, 提高CNT/PAN复合纤维的相对环化率。
(2) CNT/PAN复合纤维经受高温热处理时, CNT还可有效促进纤维发生脱氢、氧化等反应。
(3) 纤维热处理过程中, 大分子结合的氧将促进纤维分子在后续热处理过程中发生的脱氢等反应, 影响纤维的表观热焓值。
参考文献
[1]洪炳墩, 王彪, 王华平, 等.碳纳米管/聚丙烯腈原液的制备及可纺性[J].功能高分子学报, 2005, (18) :617-622.
[2]Sreekumar T V, Liu T, Byung G M, et al.Polyacrylonitrilesingle-walled carbon nanotube composite fiber[J].AdvancedMaterials, 2004, (16) :58-61.
[3]Han Gi Chae, Marilyn L M, Kumar S.Oriented and exfoliatedsingle wall carbon nanotubes in polyacrylonitrile[J].Polymer, 2006, (47) :3494-3504.
[4]Han Gi Chae, Sreekumar T V, Kumar S, et al.A comparisonof reinforcement efficiency of various types of carbon nanotubesin polyacrylonitrile fiber[J].Polymer, 2005, (46) :10925-10935.
聚丙烯腈纳米纤维 篇2
关键词：聚丙烯腈；型芯；力学性能；比抗拉强度
DO工：10.15938/j.ihust.2016.01.004
中图分类号：7Q342+.31 文献标志码：A 文章编号：1007-2683（2016）01-OO18-04
0引言
聚丙烯腈的水解实质上是极性基团氰基的水解，氰基中极易被活化的碳氢键的水解性比较强.目前聚丙烯腈水解产物主要应用在絮凝剂、粘结剂及新型功能纤维的制备等方面，同时在聚丙烯腈废料回收再利用方面也有一定的作用.常用的水解聚丙烯腈的方法有三种：酸法水解、碱法水解和压力水解.酸法水解中，可以使用强酸让聚丙烯腈中容易水解的氰基发生水解反应，氰基首先转换为酰胺基，随着反应时间的增加，进一步将酰胺基水解液羧基.但是强酸的价格比较高，中和时，需要使用很多碱，提高了水解成本，反应过程中有较高的危险性，反应后有大量废水产生，对环境造成污染，所以在实际生产中很少采用酸法水解.
本文选用碱法水解.主要研究了聚丙烯腈在不同反应时间分子量分布对型芯力学性能的影响.同时对催化剂加入量、浴比进行优化，从而根据铸造要求，得出作为铸造粘结剂的最佳水解工艺.
1实验部分
1.1实验材料及设备
聚丙烯腈纤维（PAN）、蒸馏水、NaOH固体颗粒、石英砂.
三孔瓶、DZTW电子调温电热套、JJ-1增力电动搅拌器、冷凝管、橡胶管、胶塞、温度计、玻璃烧杯、电子称、JD200-3电子天平、JW11-4型混砂机、SAC锤击式制样机、抗拉强度试样模具、SWG杠杆式万能强度试验机、沃特世Waters Breeze 2高效液相色谱仪、红外光谱仪.
1.2水解液的制备
在三孔烧瓶中，按一定比例加入聚丙烯腈纤维、蒸馏水和催化剂，升温沸腾，保温4～8 h，得到聚丙烯腈水解液.
1.3抗拉强度的测定
将石英砂与水解液混合后在混砂机中混砂10 min，用樁样机捣实后脱模取出“8”字试样，将制好的试样置于干燥箱中，加热到105℃保温指定时间后取出，放置0.5 h使试样完全冷却后待用.在杠杆式万能强度试验机上安装好抗拉夹具，将“8”字试样放人夹具中，夹紧后转动手轮，匀速加载，直到试样中间被拉断为止，试样断裂时对应的标尺上的数值即为试样的抗拉强度，读数为标尺上数值的0.5倍，粘结剂加入量为石英砂1%时，试样的抗拉强度为其比抗拉强度.
2结果与讨论
2.1水解液分子量分布对型芯力学性能的影响
聚丙烯腈的水解是分两步进行的.第一步是极性基团-CN基断裂水解成-CONH，基，第二步是由-CONH2基水解至-COOH基.
对水解过程中（催化剂加入量为聚丙烯腈的60%，蒸馏水的加入量为聚丙烯腈的8倍），不同反应时间的水解液进行测试，得到不同的凝胶渗透色谱图，寻求不同反应时间对应试样的比抗拉强度与分子量之间的关系.
数均分子量Mn是按分子数目统计平均而得；重均分子量Mw是按分子重量统计平均而得.这两种平均分子量的物理意义比较明确，而Z均分子量的物理意义却不太明确.多分散性为聚合物中分子量的不均一性，其值为Mw与Mn的比值.用它来衡量分子量分布的宽度.多分散性越大，那么材料性能越差.这种现象在低分子中不存在，但对高分子化合物的性能却有很大的影响.相对分子质量和多分散性问题都是制备新型材料必须控制的问题.
由图1、2和表1中可以看出，反应时间不同的4种水解液在凝胶渗透色谱图中的峰形基本没有变化，都出现一个大分子峰和一个小分子峰，大分子峰位和小分子峰位出现的时间变化不大；随着反应时间的增加，数均分子量和重均分子量均先增加后减小，当反应时间为7 h时达到最大值；随着水解时间的增加，试样的比抗拉强度先升高后降低，当反应时间为7 h时，比抗拉强度达到最大值0.308 MPa；所以聚丙烯腈的水解液的性能主要取决于其数均分子量和重均分子量的大小，当反应时间为7 h时，其力学性能最佳.这是因为水解液中，聚丙烯酰胺主要起粘结作用，反应物粘度很大时，其粘结强度并不高.随着反应时间的延长，聚丙烯酰胺的含量也随之增加，粘结强度不断升高到最大值.高温下，分子链间的降解反应与水解反应同时进行，反应时间过长，影响反应物粘结强度的主要因素变为分子链的降解反应，因此要严格控制反应程度.
2.2其他因素对水解液性能的影响
由图3可以得出，随着催化剂含量的增加，试样的比抗拉强度先升高后降低，当催化剂加入量为聚丙烯腈的60%时，比抗拉强度达到最大值，为0.308 MPa.继续增加催化剂用量时，试样的比抗拉强度反而降低.这是因为随着催化剂用量的增加，聚丙烯腈纤维的水解进行的越完全，羧基的产率也有增加的趋势，但是由于邻基排斥作用，即使使用再多的催化剂，也难以使水解程度达到百分之百，过量的强碱还会使大分子发生降解，而且催化剂用量的增大在一定程度上增加了试验成本，所以催化剂加入量为聚丙烯腈的60%时比较合理.
由图4可以得出，随着蒸馏水加入量的不断增加，试样的比抗拉强度呈先升高后降低的趋势，并且当蒸馏水的加入量为聚丙烯腈的8倍时，试样比抗拉强度达到最大值0.35 MPa.这是由于当蒸馏水量少时，聚丙烯腈纤维不能完全浸润在碱液中，反应不能够均匀的进行，如蒸馏水的加入量为聚丙烯腈的4倍时，反应7h后，三口瓶中仍然存在未溶解的聚丙烯腈纤维，并且溶液呈不透明絮状；当蒸馏水量多时，反应物中催化剂的浓度降低，水解反应速度也随之降低，同时水解程度也会下降.当蒸馏水的加入量超过聚丙烯腈的8倍时，水解产物的水解程度趋于平稳，基本无变化.
2.3聚丙烯腈纤维及其水解液的红外光谱分析
图5和图6分别为聚丙烯腈纤维及其水解产物的红外光谱图.其中聚丙烯腈纤维的水解条件为：催化剂加入量为聚丙烯腈的60%，蒸馏水的加入量为聚丙烯腈的8倍，反应时间为7h.
由图5、6可以看出，聚丙烯腈纤维的红外光谱图比水解纤维的红外光谱图峰多且复杂，这是因为聚丙烯腈纤维内含有二三单体，如丙烯酸甲酯（CH2=CHCOOCH3）、丙烯酸丁酯（CH2=CHCOOC4H9）、衣康酸（亚甲基丁二酸，CH2=CH（COOH）CH2COOH）等.该类物质在红外谱图中均出现峰，但在强碱性条件下即可水解，故聚丙烯腈纤维红外谱图比水解纤维红外谱图复杂.
聚丙烯腈纤维水解后在2241.28 cm-1处的C三N特征吸收峰几乎消失，同时二三单体的酯基和羧基在1732.6 cm-1处的特征吸收峰也几乎消失，说明聚丙烯腈纤维在该条件下水解较为完全；在1645.44 cm-1处有酰胺的C=O特征吸收峰，在1552.81 cm-1处有羧酸基的C=O特征吸收峰，说明聚丙烯腈纤维在该条件下水解得到了含有酰胺基团、羧酸基团等亲水基团的共聚物.
3结论
1）其他反应条件不变的情况下.随着反应时间的增加，数均分子量和重均分子量均先增加后减小，当反应时间为7 h时达到最大值；随着水解时间的增加，试样的比抗拉强度先升高后降低，当反应时间为7 h时，比抗拉强度达到最大值，为0.308 MPa；所以聚丙烯腈的水解液的性能主要取决于其数均分子量和重均分子量的大小，当反应时间为7 h时，其力学性能最佳.碱法水解多分散性变化不大，均在2左右，水解液性能比较稳定；
2）随着催化剂用量的增加，试样比抗拉强度也是先增大后减小，当PAN与NaOH的用量比值为1：0.6时，试样的比抗拉强度最大为0.308 MPa；随着浴比的增加，试样比抗拉强度同样是先增大后减小，当浴比为8时，试样的比抗拉强度最大为0.35 MPa：
聚丙烯腈纳米纤维 篇3
关键词：纳米SiO2,聚丙烯纤维,水泥基材料,高速研磨搅拌+超声波分散,强度
0前言
纳米颗粒是指尺寸在1~100nm间的粒子,由于其特殊的“小尺寸效应”、“界面效应”、“量子尺寸效应”和“宏观量子隧道效应”使纳米材料在结构、光电、磁学和化学性质等方面表现出特异性。在冶金、化工、食品、医药、涂料、造纸、建筑及材料领域都有很好的应用,在水泥混凝土领域的应用也有不少研究。但由于纳米粒子粒径小,表面能高,具有自发团聚的趋势,因而大大影响了纳米粉体材料优势的发挥[1]。采用普通搅拌方法时,纳米SiO2分散效果不佳,水泥混凝土7d、28d的抗压、抗折强度增长一般都在10%左右[2]。由此可见,纳米SiO2在拌合水中的分散程度及稳定性是决定其对水泥混凝土材料增强效果的关键因素。在水泥混凝土材料中掺加适量的纤维材料能在一定程度上提高水泥混凝土材料的拉伸性能,提高其抗拉强度、抗裂性能。纤维的种类、掺量、在水泥混凝土体系中的分布情况等因素对纤维的增强效果有直接的影响。在水泥混凝土材料中添加纤维材料用以增强其力学性能的理论及应用研究有不少报道,但未见在高度分散纳米SiO2存在下,纤维增强水泥混凝土性能的研究报道。本文研究了不同掺量的聚丙烯纤维对水泥基材料力学性能的增强作用,以及在高度分散的纳米SiO2(高速研磨搅拌+超声波分散)存在的条件下,聚丙烯纤维对水泥基材料性能的影响。
1 原材料及试验方法
1.1 原材料
水泥:广西某公司生产的42.5级普通硅酸盐水泥。
砂:河砂(中砂),细度模数为2.39。
磨细砂:将上述河砂在水泥试验小磨中磨10min,水泥负压筛筛余量为56.4%。
减水剂:柳州某厂生产的MN-Ⅱ高效减水剂,减水率约为20%。
纳米Si02:舟山某公司产,粒径(10±5)nm,比表面积(640±50)m2/g;摇实密度<0.18g/cm3,Si02-x含量>99.9%(X在1.2~1.6之间,指其表面欠氧而偏离了稳态的硅氧结构)。
水:自来水。
纤维:单丝束状聚丙烯纤维,长度2cm。
1.2 试验方法
试验材料用量为:水泥450g;中砂700g;磨细砂650g;MN-Ⅱ减水剂11.25g;水灰比0.55;聚丙烯纤维适量;纳米Si02适量。
按GB/T17671-1999《水泥胶砂强度检验方法》成型、养护试件,并测定3d和28d抗折、抗压强度。试件尺寸为40mm×40mm×160mm。
纳米Si02采用高速研磨搅拌+超声波的分散方法,即将一定质量的纳米SiO2加入掺有高效减水剂的拌和水中,在高剪切混合乳化机中高速(10000r/min)研磨搅拌1min,然后将拌和水移至数控超声波清洗器中,超声波频率为40k Hz,分散时间15min。
2 试验结果
2.1 不同聚丙烯纤维掺量对水泥基材料抗折、抗压强度的影响
不同聚丙烯纤维掺量对水泥基材料抗折、抗压强度影响的试验结果见表1。
从表1可以看出,随着聚丙烯纤维掺量的增加(从水泥质量的0.08%到0.3%),水泥基材料的抗折强度和抗压强度基本上呈现出先提高后逐渐降低的趋势,如聚丙烯纤维掺量为水泥质量0.08%的1#试样,3d、28d抗折强度比0#试样分别增加了9.5%、3.6%,抗压强度分别增加了4.5%、6.9%;聚丙烯纤维掺量为水泥质量0.1%的2#试样,3d、28d抗折强度比0#试样分别增加了12%、5%,抗压强度分别增加了4.8%、9.7%;聚丙烯纤维掺量为水泥质量0.3%的4#试样3d、28d抗折强度比0#试样分别增加了3.6%、-0.7%,抗压强度分别增加了5.4%、0.3%。
2.2 掺纳米SiO2对纤维水泥基材料性能的影响
本文研究了在手工搅拌、高速研磨搅拌、高速研磨搅拌+超声波分散等不同分散方法条件下,纳米SiO2对水泥基材料的增强作用[3]。其中,高速研磨搅拌采用高剪切混合乳化机,搅拌叶片转速为10000r/min;高速研磨搅拌+超声波分散是指将经过高速研磨搅拌的纳米SiO2置于超声场中进行超声波分散,超声波频率为40kHz,超声波分散时间为15min。
为了研究纳米SiO2对纤维水泥基材料的影响,我们采用了分散效果最好的“高速研磨搅拌+超声波”的方法对纳米SiO2进行分散[3],同时掺入一定量的聚丙烯纤维,按GB/T17671-1999规定的方法制成试样,并测定了试件规定龄期的抗折、抗压强度,试验结果见表2。
从表2数据可以看出,当加入占水泥质量0.5%的采用“高速研磨搅拌+超声波分散”的纳米SiO2时,试样3d和28d的抗折强度和抗压强度都有所提高。其中,5#试样比1#试样的3d、28d抗折强度分别了提高14%和10.3%,抗压强度则分别提高了6.6%和9.5%;与基准0#试样相比,3d、28d的抗折强度提高了25%和14%,抗压强度则分别提高了12%和17%。6#试样比2#试样的3d、28d抗折强度分别提高了6.3%和8.9%,抗压强度则分别提高了6.4%和6.3%;与基准0#试样相比,3d、28d抗折强度分别提高了19%和14%,抗压强度则分别提高了12%和16%。7#试样比3#试样的3d、28d抗折强度分别提高了17.5%、0.6%,抗压强度则分别提高了7.1%、9.1%;与基准0#试样相比,3d、28d抗折强度分别提高了20%、1%,抗压强度分别提高了13%、12%。从试验数据我们发现,纤维掺量最小的5#试样,其强度比6#、7#试样大(7#试样3d抗压强度除外)。
3 结论及分析
(1)在水泥基材料中掺入聚丙烯纤维能在一定程度上提高试样的抗折、抗压强度,随着聚丙烯纤维掺量的增加(从水泥质量的0.08%到0.3%),水泥基材料的抗折、抗压强度基本呈现先提高后逐渐降低的趋势,其主要原因在于纤维的阻裂效应[4]。
由于水泥石在硬化过程中自收缩等原因,造成内部存在不同尺度的微裂纹,在结构形成过程中,聚丙烯纤维阻止了这些裂缝的发展,减少了裂缝源的数量,并使裂缝尺度变小,从而在一定程度上提高了水泥基材料的抗折、抗压强度。随着掺量的增加,纤维在拌合水及水泥体系中的分散程度下降,其增强效果不能充分发挥,当掺量较大(0.3%)时,由于分散不均甚至会出现团聚现象,从而导致试样强度下降。
(2)所采用的高速研磨搅拌+超声波分散方法处理的纳米SiO2能有效地增强聚丙烯纤维基水泥材料。
采用传统的搅拌方法,纳米SiO2很难分散均匀,在水中往往呈团聚状态,采用高剪切混合乳化机在叶片高速旋转状态下(10000r/min)研磨搅拌,纳米SiO2得到了较好的分散,已经具有很高的分散程度,再放置于超声波场中,在超声波空化作用下,纳米SiO2表面能被削弱,有效地防止了颗粒的团聚并使之充分分散[1]。在拌和水中掺入的减水剂作为一种表面活性剂,同时也起了化学分散剂的作用,它能吸附在高速研磨搅拌+超声波分散后的纳米SiO2颗粒表面,改变颗粒性质,从而改变颗粒与液相介质、颗粒与颗粒之间的相互作用,使颗粒间有较强的排斥力,实现料浆稳定化,可以达到较好的分散效果[1]。在聚丙烯纤维水泥基材料中,高度分散的纳米SiO2改善了纤维水泥基材料中水泥浆体与集料、纤维界面区的结构,使界面区的Ca(OH)2晶体数量下降,取向度明显降低,晶粒细化、C-S-H凝胶数量增加,强化了界面的粘结力。由于C-S-H凝胶数量增加,且凝胶尺寸更小更均匀,水泥石中的大孔减少,凝胶孔增加,结构变得致密,使强度得以提高。
(3)纳米SiO2经高速研磨搅拌+超声波分散后,仅需要极少的掺量(水泥质量的0.5%)以及极少的纤维掺量(水泥质量的0.8%)就可获得较好的增强效果,与基准试样相比,3d、28d的抗折强度分别提高了25%和14%,抗压强度分别了提高12%和17%。
参考文献
[1]高濂,孙静,刘阳桥.纳米粉体的分散及表面改性[M].化学工业出版社,2003.
[2]季韬,黄与舟,郑作樵.纳米混凝土物理力学性能研究初探[J].混凝土.2003(3).
[3]董健苗,马铭彬.分散方法对纳米SiO2增强水泥基材料性能的影响[J].混凝土,2011(4).
聚丙烯腈纳米纤维 篇4
冷冻干燥是在低温真空条件下利用冷冻固形和升华达到干燥目的的一种方法。冷冻干燥较完整地保留样品的固态组分和固有结构,是理想的分析辅助手段。目前,冷冻干燥已广泛地应用于医药、食品、化工等行业[5,6,7,8,9,10,11]。本实验利用电阻法确定聚丙烯腈(PAN)初生纤维的共晶温度, 采用冷冻干燥法制备PAN初生纤维样品,考察了三种干燥方法对PAN初生纤维样品结构的影响。
1 实验部分
1.1 实验仪器
真空冷冻干燥机:VFD-2000型(北京博医康试验仪器有限公司);光学显微镜:YS-100 型(南京江南光电股份有限公司); 纺丝设备:自制;鼓风干燥机:DHG-9070型(上海一恒科技有限公司);数字万用表:UT58B型(优利德科技(东莞)有限公司);压汞仪:Autopore IV 9510(美国Micromertics公司)。
1.2 PAN初生纤维的制备
以二甲基亚砜一步法制备的聚丙烯腈纺丝原液为原料,以二甲基亚砜和水的混合液为凝固液,保持凝固液的组成和温度不变,固定喷丝头的拉伸比,采用自制纺丝设备实施纺丝操作,得到用于冷冻干燥试验的PAN初生纤维[2]。
1.3 共晶温度的确定
在冷冻干燥中,样品冻结的最高温度是影响干燥效果的关键因素[5,9];预冻温度必须低于共晶温度,否则会造成样品表面起泡、收缩等不良现象发生,使样品的结构发生重大改变。因而获取样品的共晶温度是采用冷冻干燥的必要条件。实验采用电阻法确定样品的共晶温度。电阻法的原理是:当物料温度降到凝固点时,物料中液态组分开始结晶。随着温度的下降,液态组分越来越少,物料的电阻也越来越大。当温度下降到某一点(即关键点)的时候,物料的电阻值突然增大,此时的温度就是物料的共晶温度,共晶温度只与物料组成有关。但研究表明,多数材料的电阻突增点并不明显,本实验以电阻变化率大于2.5MΩ/min作为选取共晶点温度的依据[12]。
PAN初生纤维中含有聚丙烯腈、二甲基亚砜和水三种组分。不同工艺条件制备的样品中各组分的含量会不同,其共晶点温度也不一样。由图1可知,样品温度为-20℃时,电阻变化率开始增加;当温度低于-55℃时,电阻变化率大于2.5MΩ/min,因而可认定已经达到该样品的共晶点温度。
1.4 PAN初生纤维的干燥
使用冷冻干燥机干燥PAN初生纤维,工艺条件是:-55℃时预冻1h后,抽真空,采用程序升温。为减小液态组分晶体长大对样品结构的影响,当温度低于-35℃时才将样品放入。使用鼓风干燥机干燥PAN初生纤维,干燥温度为60℃;在室温(20℃)自然风干PAN初生纤维;使用光学显微镜对干燥前后样品形貌进行对比。
1.5 PAN初生纤维孔结构的测定
使用Autopore IV 9510型压汞仪对PAN初生纤维孔结构进行表征。测试时压力范围0.5～6000Pa,采用分步升压。
2 结果与讨论
2.1 干燥方法对PAN初生纤维形貌的影响
三种干燥方法的收率相同,样品中的二甲基亚砜均完全挥发,但不同的干燥方法对样品形貌和孔结构的影响不一样。从图2可以看到,鼓风干燥时,截面积变小,截面形貌发生变化。鼓风干燥前后丝束的颜色由淡白色变为金黄色(干燥前的光学图片显淡红色是由显微镜光源引起),纤维间发生粘连。这是因为样品中含有大量的二甲基亚砜;随着温度的升高,溶剂扩散到纤维表面而挥发,致使表面的二甲基亚砜浓度上升,部分表面发生溶解;纤维部分表面的溶解液相互接触而融合。当液态组分挥发完全后,纤维间就会粘连。可见,鼓风干燥破坏了PAN初生纤维的原有结构。
冷冻干燥前后丝束的颜色由淡白色变为白色,纤维半径看起来有所增加;这是因为纤维中液体组分的减少改变了丝束对光线的反射。PAN初生纤维截面形态在冷冻干燥前后变化不大。
表1是使用不同干燥方法时随机选取的PAN初生纤维截面积和周长的变化率。冷冻干燥时PAN初生纤维的截面积最大变化率仅为1.21%,其对应的周长变化率是0.43%。在冷冻干燥中,最大周长变化率仅为1.15%。这说明冷冻干燥技术基本上保留干燥前的结构,不会改变样品的截面形貌。
自然风干前后丝束的颜色也由淡白色变为白色,截面形状没有发生明显改变,但截面积和周长变化率较大。如表1中数据所示,自然风干时PAN初生纤维的截面积变化率最大为20.66%,其对应的周长变化也为最大,达到10.67%,截面积变化率最小也为8.87%,远大于冷冻干燥时的变化率。与冷冻干燥相比,自然风干时PAN初生纤维发生明显的收缩。
为了考察干燥时截面形状的变化规律,本实验采用形状系数(SH )来表征截面形状。形状系数是指截面周长的平方与截面积之比,即:
undefined
其中,SH:形状系数;L:截面周长;A:截面面积。形状系数变化率的大小反映截面形状变化的程度。形状系数变化率大,则截面形状变化越剧烈。
冷冻干燥和自然风干时的形状系数变化率见表2。自然风干时形状系数变化率分布不均,最大的变化率为3.52%,而最小仅为0.07%。这说明在自然风干过程中各样品的截面形状变化程度差异很大。这是由于一方面自然风干进程缓慢,内应力小,使得PAN初生纤维的截面形状等比例收缩,保持原有的截面形状,形状系数变化率小;另一方面由于自然风干时截面积和周长的变化率都较大,PAN初生纤维内部结构的不均匀性导致形状系数变化率大。而冷冻干燥时形状系数变化率都较小,分布均匀。这说明在冷冻干燥过程中截面形状的变化较小,且各样品的变化趋势和程度基本一致。综合以上数据可得,冷冻干燥有效地保留PAN初生纤维的原有结构,可用于干燥PAN初生纤维样品。
2.2 干燥方法对PAN初生纤维孔结构的影响
PAN初生纤维在鼓风干燥后,比表面积和比孔容积都很小,原有的孔径分布被破坏,内部特征孔结构消失;纤维中孔洞基本闭合;这与处理过程中样品的表面变化现象符合,也与上述鼓风干燥对样品形貌影响的分析结果一致。对比自然风干和冷冻干燥后纤维的孔径分布时发现,自然风干时PAN初生纤维中不同孔径的孔数量都有所减少,尤其是丝中的中、大孔;PAN初生纤维中所有孔径均有逐步缩小的趋势,但孔径大小不同,收缩的程度不一样,所以样品仍保留了原有的部分孔径分布。这与自然风干时样品部分收缩有直接关系。在自然风干时,PAN初生纤维的部分收缩直接使得纤维中孔的直径均减小。尽管在自然风干时PAN初生纤维的外观并没有发生太大的变化,但从自然风干时孔结构数据可得,纤维内部的结构发生了不可逆转的变化,纤维中的原有结构特征被破坏;而冷冻干燥时样品的比表面积和比孔容积均比前两种干燥方法大,且孔径分布较宽,结合上节对冷冻干燥前后形貌变化的分析,冷冻干燥法较好地保留了纤维内在的孔结构信息。综上可知,鼓风干燥和自然风干使样品的结构发生改变,两者均不适合用于样品后处理;而冷冻干燥相对地保留较多的原有结构特征,可用于样品的后处理。
2.3 PAN初生纤维的冻干机理
样品在干燥时会受到毛细压力、渗透压力、分离压力和湿度应力等作用[13],它们会使样品的结构发生改变。冷冻干燥在低温真空的环境下把液-气界面转化为气-固界面,有效地减少了干燥过程中各种力对结构的作用,从而尽可能地保留样品的原有结构
当样品预冻完成时,即冻干曲线到达B点时,样品中的液态组分因凝固变成固态。从图中可以看到,B点后,干燥室压力降到9Pa;此时,样品的温度直线下降到-59℃,样品的温度突然下降了10℃,说明样品进入升华干燥阶段。在升华干燥阶段,样品由表层往里会形成干燥层和未干燥层共存的结构[5]。当表层的液态组分升华后,样品表层就会形成干燥层,其温度也会上升。但是,PAN初生纤维里层的液态组分仍然为结晶型固态。随着干燥时间的延长,未干燥层的半径缩小,干燥室压力下降。当干燥室压力基本不变时,升华干燥阶段完成,此时冻干曲线运行到C点。
PAN初生纤维含有聚丙烯腈、二甲基亚砜和水三种组分,其中聚丙烯腈是固态组分,二甲基亚砜和水是液态组分。当升华干燥完成后,仍有少量的水和二甲基亚砜吸附在聚丙烯腈分子上[14]。为了使吸附态的水和二甲基亚砜解吸,就必须提高样品的温度,使其进行解吸干燥。从冻干曲线可以看到,升高温度后,干燥室压力有小幅上升[15]。这正说明样品中还含有少量吸附态的水和二甲基亚砜。冻干曲线运行到E时,样品的温度和干燥室里的压力基本不变,冷冻干燥已经结束。从样品的冻干曲线可以看出,初生纤维在冻干时与其它物料冻干曲线的变化趋势是基本一致,说明初生纤维与其它物料一样,符合冻干理论。
3 结 论
通过电阻法得到PAN初生纤维的共晶温度,为使用冷冻干燥技术制备样品提供工艺参数;PAN初生纤维的冻干过程与其他物料基本一样。不同的干燥方法对PAN初生纤维样品的形貌和孔结构影响不一样。鼓风干燥法破坏样品中的原有形貌,纤维间发生粘连;样品中的内部特征孔结构消失;
聚丙烯腈基碳纤维生产工艺的研究 篇5
碳纤维是目前乃至今后相当长一段时间内鼓励优先发展的高技术特种纤维之一。世界上碳纤维的生产有粘胶基碳纤维、聚丙烯腈基碳纤维和沥青基碳纤维等三大加工方法。其中, 聚丙烯腈基碳纤维 (以下简称PAN基碳纤维) 及其加工路线具有技术成熟、产品性能好等优势, 在碳纤维加工中处于主导地位。PAN基碳纤维的加工制造涵盖了高分子材料学、碳素学、表面处理学、热传导学等专业技术学科, 是一项高技术加工领域, 牵涉着一项多学科交叉、多技术集成的系统工程。现从研究的角度简要介绍PAN基碳纤维工艺路线, 并对PAN基碳纤维生产工艺中的几个主要问题进行分析说明。
1 基纤维—聚丙烯腈的生产工艺流程
1.1 聚丙烯腈共聚物的制备
丙烯睛及其共聚单体、溶剂DMSO, 按照AN丙烯腈∶MA丙烯酸甲酯∶IA衣康酸=95.4∶3.2∶1.4的比例配方, 在聚合釜中溶液聚合, 通过控制引发剂用量、聚合温度、聚合时间来控制聚合转化率, 以制得分子量和分子量分布都符合纺丝要求的共聚物。得到的聚合物溶液经过脱除单体后即得聚丙烯睛纺丝原液。
PAN纺丝用原液之所以采用三元共聚物溶液, 是因为第二、第三单体的加入可以极大地改善PAN原丝的力学结构, 提高原丝的综合性能。丙烯睛及其共聚单体在聚合釜中发生自由基聚合反应, 其聚合过程由链引发、链增长、链终止等基元反应组成。此外, 还可能伴随有链转移反应。在聚合过程中, 聚合的温度是随着时间而变化的, 这种温度的变化是与丙烯睛发生的自由基共聚合反应各个阶段联系在一起的。
丙烯睛共聚合的温度—时间大体分为以下几个阶段:诱导期, 初级自由基为阻聚杂质所终止, 无聚合物形成, 聚合速率为零。诱导期过后, 单体开始正常聚合, 转化率在10%~20%以下的阶段称做初期;中期发生链引发和链增长反应, 反应迅速, 放出大量的热, 同时随着聚合的进行, 体系粘度增大, 但体系粘度还不足以阻碍单体扩散, 链增长速率常数Kp变化不大, 因此使Kp/Kr增大若干倍, 活动链寿命延长, 自动加速显著, 聚合速率迅速增大, 温度随时间升高很快;后期, 聚合继续进行, 此时, 体系的粘度开始阻碍单体的扩散, 链增长速率常数Kp变小, Kp/Kr保持不变, 链增长的速率和链终止速率相等, 分子量的增长减缓, 反应趋于平稳, 温度基本不变。在C-D阶段内, Kp和Kt继续变小, 链终止的速率大于链增长的速率, 此时, 聚合已经大部分完成, 体系内单体浓度已经很低, 体系的温度开始缓缓降低。在D-E阶段内, 反应完成, 温度不再变化, 如果延长聚合时间会增大转化率, 但不会提高聚合物的分子量。因此聚合反应在聚丙烯睛分解温度以下进行, 是一个放热的不可逆反应, 同时这一聚合是链式反应, 反应链一旦被引发就会立即长成一个大分子, 反应不会停留在中间阶段, 反应系统中只会分离出单体和聚合物, 而不存在中间产物。
在聚合时的不同阶段, 搅拌速度是不一样的, 加快搅拌速度, 发现转化率和Mw减小, 这是因为搅拌速度加快时, 颗粒碰撞几率增大, 增加了单体扩散至长链自由基的机会, 但链增长速率常数Kp不大, 链终止常数Kt增大, 结果是聚合速率下降, 使最终反应转化率降低, 由于Kt增大, 自由基平均寿命缩短, 结果使平均聚合度减小, 平均分子量减小。
1.2 聚丙烯腈纤维的纺丝与牵伸
1.2.1 纺前处理和纺丝
聚合产生的聚丙烯睛溶液, 首先要经过闪蒸取出未反应的单体, 再经过负压脱泡和板框机过滤等纺前处理。这是因为丙烯睛浆化或溶解时, 由于操作或机械的问题可能有部分浆块产生。大的浆块会堵塞管道, 小的浆块则随原液一同进入喷丝头而堵塞喷丝头, 造成纺丝停车。在实验室中我们设置了8道过滤并扩大了烛型过滤器的面积以保证进入喷丝头前的纺丝液的过滤质量。在原液输送过程中, 机械搅拌的作用或泵的泄露也会使原液混进空气, 原液的粘度很高, 在常压静止状态下气泡不易脱出。气泡直径大于喷丝孔直径会造成单纤维断裂, 形成毛丝气泡直径小于喷丝孔直径, 气泡残留在纤维内造成气泡丝, 使纤维产生空洞, 因此必须进行真空脱泡, 脱泡时间一般为24~40h。
1.2.2 蒸汽牵伸的作用
在100℃的水浴中拉伸, 原丝只能牵到1.3倍, 拉伸过大, 容易出现毛丝和断头, 不可能提高原丝的取向度和强度, 为此在水浴中只能控制牵伸倍数为1.1左右。但蒸汽牵伸能够牵到3倍左右, 能提高原丝的取向度和强度, 这是因为原丝在150~180℃的水蒸汽介质中走丝时, 丝条能够被均匀地加热, 由于是沿着大分子链下施加的张力, 在高温高湿的作用下, 大分子链段因热运动而产生与张力方向一致的取向, 从而提高了原丝的取向度和强度, 形成并增加了分子间的分子链数目。表1是凭经验选择的牵伸条件及测试的原丝和碳纤维的性能。
当提高蒸汽中的拉伸倍数时, 由于拉伸速度过快, 丝在蒸汽中停留的时间短, 拉伸产生的内应力难以得到松弛, 从而使丝束局部断裂而产生断头和毛丝。为适当地控制拉伸倍数, 应使丝束在蒸汽中停留的时间大于15s。
2 PAN基碳纤维生产工艺流程
原料AN单体和溶剂DMSO须经精馏提纯后与衣康酸 (共聚单体) 和引发剂偶氮二异丁腈一起按配比投料进入聚合釜, 在60℃、常压条件下进行聚合反应约24h, 然后控制温度在40℃左右负压条件下进行脱单脱泡, 以脱去未反应的单体AN和气泡, 脱出的单体丙烯腈经冷凝后可回用。AN原料中含有阻聚剂、水等杂质, 精馏目的主要是去除阻聚剂和水, 使AN的纯度达到99.999%, 聚合反应在氮保护下进行。
聚合物脱单脱泡后经过滤喷丝, 喷丝头出来的原液细流在0℃左右的凝固浴中冷却成型, 成型后的凝胶丝条采用60℃左右的纯水进行水洗, 洗去溶剂二甲基亚砜, 水洗后的二甲基亚砜水溶液和凝固浴排出的二甲基亚砜水溶液统一收集后泵送到精馏回收, 精馏冷凝水可回用于凝固浴补充水和水洗, 冷凝二甲基亚砜和水汽混合物经精馏提纯后可回用。水洗后的原丝进入多段热水牵伸, 在80℃、90℃、95℃多段热水中进行牵伸、给丝上油, 在100℃左右进行干燥致密化, 再通过150℃的蒸汽进行蒸汽牵伸, 然后再通过120℃左右的蒸汽进行蒸汽定型, 最后在100℃左右进行干燥致密化得到PAN原丝。
PAN原丝在30~290℃预氧炉中预氧化1h后, 分别经300~800℃低中温碳化5min、1200~1500℃高温碳化1min后进行上浆, 最后经100℃烘干后得到成品碳纤维。
预氧化、中低温炭化和高温炭化产生的废气主要污染物为CO、氨、焦油和HCN。氧化和炭化过程均采用氮保护, 进料及出料口全部采用氮封。氧化和炭化废气全部经引风系统送焚烧器焚烧, 焚烧废气主要产物为CO2、水、N2和部分NOX, 采用25m烟囱高空达标排放。目前, 该工艺可制得含碳量92%以上的碳纤维。
3 工艺设备的选配及布置
聚合、原液、纺丝、预氧碳化、后加工和回收等工段设备能力及配置应根据不同设备的运转效率、不同产品或中间品需求量进行综合平衡后计算确定, 做到前后及关联设备能力匹配并留有余量。生产过程主要原材料消耗参见表2, 各工段设备运转效率及成品制成率可参照表3取定, 其他参数按生产品种等工艺设备数据取定。
(注:表3中, 纺丝制成率与喷丝孔数, 即丝束总纤度有关)
目前, 碳纤维聚合工段国内尚没有定型设备, 主要设备多为非标准设备。高质量PAN原丝对聚合原料的纯度要求非常严格, 聚合体系中的铁离子的浓度应控制在0.3mg/kg以下, 最好不要超过0.1mg/kg。因此, 直接与聚合物接触的聚合釜、脱单脱泡釜、储料釜、聚合物搅拌器等材质采用含钼不锈钢316L (00Cr17Ni14Mo2) , 其他定型设备的选用也要注意以上原则。
此外, 聚合釜等设备应防爆和耐腐蚀, 并保证有一定的腐蚀裕度和良好的机械加工工艺;常年连续运行的纺丝设备, 应选用运转效率高、运行稳定、维修方便、节能的设备;通用动设备应选用效率高、噪声小、运行性能稳定、故障率低、维修方便的产品;泵、过滤器等连续运转和需经常拆洗的设备, 必须有备用设备。表4为主要物料管道材质, 表5主要物料毒性及生产火灾危险性类别。
根据生产工艺流程及管理需要, 上述工段可归并设计为原料罐区 (含溶剂精制回收) 、聚合纺丝车间 (聚合纺丝联建) 、氧化炭化 (及后加工) 车间、分级包装车间等, 其他工段及配套公用工程等根据需要在相应车间附房就近布置。聚合到纺丝的物料输送, 流程越短越好, 所以考虑聚合纺丝联建, 精制可以与聚合放在一起, 但与纺丝须按要求考虑严格的防火防爆分隔措施, 精制聚合须考虑防爆泄爆。但原料、溶剂罐区及精制回收等最好应集中单独布设, 并按甲B类考虑与其他建筑物的距离。此部分考虑为敞开结构, 这样一来可便于集中管理, 同时大大降低土建工程防火防爆、泄压泄爆等的投资费用。
4 结语
原丝生产的聚合过程遵循自由基聚合原理, 由四个阶段组成, 分别为链引发、链增长、链终止和链转移。
基纤维预牵伸倍数越大, 所得到的纤维的取向度和结晶度越大, 而且有一个极大值, 蒸汽牵伸的倍数也不能过大, 控制在1.6左右同时蒸汽的温度在160~180℃才能保证高性能的原丝生产, 原丝在蒸汽中停留的时间应不小于15s。
参考文献
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聚丙烯腈纳米纤维 篇6
制革行业产生大量的皮革废弃物,皮革制品行业也产生大量皮革裁剪余料,所有皮革产品最终都会成为废弃物,这些废弃物可以通过酸、碱、酶法或者酸-酶、碱-酶法提取胶原蛋白。由于胶原蛋白的力学性能较差,在制备纤维纺丝液时需要与聚丙烯腈、聚乙烯醇等聚合物共混,以提高其综合性能,但由于胶原蛋白与上述聚合物分子结构差异很大,两者之间存在共混性能差的问题,必须和其他材料进行复合改性[1,2],这就严重限制了胶原蛋白的应用范围。本文研究了胶原蛋白-聚丙烯腈复合纤维纺丝液的制备,并通过对胶原蛋白的改性,优化胶原蛋白与聚丙烯腈的共混性能,为胶原蛋白与聚丙烯腈共混物在胶原蛋白复合纤维中的应用打好基础,并利用胶原蛋白的天然性能提高合成材料的综合性能。
1 试验部分
1.1 主要原料
丙烯腈、丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯、醋酸乙烯酯、N,N-二甲基甲酰胺(DMF),cp,北京化学试剂公司;
硫氰酸钠,工业品,上海石化股份公司化工二厂;
胶原蛋白,自制,平均分子质量为7 020g/mol。
1.2 检测方法
1.2.1 转化率的测定[3]
取0.8～1.2g(精确至0.0001g)丙烯腈和胶原蛋白聚合溶液置于洗净烘干的玻璃片上,再盖上一块玻璃片,用力压成很薄的一层。然后,将2块玻璃片反方向拉开,并在0.2%醋酸水溶液中凝固,把凝固的薄膜用蒸馏水充分洗涤,真空烘干至恒重,称重后测聚合物浓度,计算转化率。
转化率=CA-B×100%
式中,A为聚合物浓度,B为加入胶原蛋白的浓度,C为加入丙烯腈的浓度。
1.2.2 接枝效率[3]
将聚合物溶液在水中沉淀,充分水洗,干燥粉碎后,50℃下用DMF振荡萃取8h溶去均聚物,抽滤,重复上述操作3次。得到不溶物的质量百分数Y,然后计算接枝效率(E)。
式中β为反应生成的改性物质量分数;r为加入胶原蛋白的质量分数;Y为得到的不溶物的质量百分数
1.2.3 凝固率
凝固率是指改性胶原蛋白在水中发生凝固的量占总量的百分比。
1.2.4 相对黏度
相对黏度是指将改性胶原蛋白配制成为1.5%的浓度后,与水的相对黏度。
1.3 聚丙烯腈—胶原蛋白复合纤维纺丝液的制备
1.3.1 胶原蛋白改性物的制备(1)单体和溶剂体系的选择
对胶原蛋白进行改性,一是改变胶原蛋白的溶解性能,将水溶性的胶原蛋白转化为水不溶性且能溶于聚丙烯腈的溶剂体系中,使聚丙烯腈—胶原蛋白复合纤维纺丝液用水凝固时,胶原蛋白可以同时凝固出来,得到不溶于水中的胶原蛋白复合纤维;二是通过改性增加胶原蛋白与聚丙烯腈的共混性能,并且提高胶原蛋白的可纺性能。为了达到以上要求,本文采用胶原蛋白—丙烯腈单体接枝共聚的方法向胶原蛋白中引入聚丙烯腈结构。另外为了降低聚丙烯腈大分子之间的作用力,改善纤维的弹性,引入了少量的丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯和醋酸乙烯酯等单体,用量控制在总单体用量的10%左右。
试验还发现,使用氯化锌水溶液体系需要在酸性条件下进行反应,而且制备的改性胶原蛋白分子质量较小,可纺性能比较差。聚丙烯腈是生产腈纶的主要原料,国内生产腈纶大多采用硫氰酸钠水溶液法,纺丝工艺及溶剂回收技术也较成熟,为充分利用现有的技术及设备[4],本文主要讨论使用硫氰酸钠水溶液作为反应体系,进行胶原蛋白的接枝改性。
(2)接枝共聚反应的影响因素
影响胶原蛋白接枝改性反应的主要因素有:反应温度、反应时间、引发剂用量、搅拌速度、硫氰酸钠溶液浓度和单体与胶原蛋白的比例等,试验对以上各影响因素进行了分析研究。
1.3.2 胶原蛋白改性物和聚丙烯腈的共混性能研究
(1)改性胶原蛋白与聚丙烯腈的共混比例
改性胶原蛋白虽然具有了腈纶纤维原料聚丙烯腈的溶解和凝固性能,但由于胶原蛋白分子的结构规整性较差,而且胶原蛋白分子上所接枝的聚丙烯腈分子质量很低,可纺性能较差,因此还需要与聚丙烯腈共混,制备具有良好可纺性能和所得纤维强度较高的纺丝液。
利用硫氰酸钠水溶液溶剂体系和与胶原蛋白接枝改性相同的引发剂,制备得到聚丙烯腈溶液,再将改性胶原蛋白溶液和聚丙烯腈溶液共混,制备得到具有良好可纺性能的聚丙烯腈—胶原蛋白复合纤维纺丝液。
(2)纺丝液的凝固和再溶解
制备得到的聚丙烯腈—胶原蛋白复合纤维纺丝液,虽然可以直接用于湿法纺丝制备纤维,但还存在以下问题:
(1)纺丝液是由聚丙烯腈溶液和改性胶原蛋白溶液共混得到,共混液的固含量和黏度不容易控制;
(2)共混液中含有未反应的单体和未被改性的胶原蛋白,不会在湿法纺丝过程中凝固出来,会污染凝固浴和影响纤维的强度;
(3)共混液中改性程度较低的胶原蛋白,也不会在湿法纺丝过程中凝固出来,会污染凝固浴和影响纤维的强度。
针对以上问题,本文用水对共混液进行凝固处理,并用清水充分洗涤,除去未反应的单体和胶原蛋白、以及改性程度低的胶原蛋白,再用硫氰酸钠溶液溶解配制纺丝液。试验对未经过凝固洗涤处理的共混纺丝液和经过凝固洗涤处理后再溶解得到的纺丝液,进行了比较。
2 结果与讨论
2.1 聚丙烯腈改性胶原蛋白的制备
(1)反应温度对丙烯腈接枝胶原蛋白反应的影响
温度对自由基聚合反应影响比较大,试验研究了不同温度下丙烯腈接枝改性胶原蛋白反应,结果如表1所示。
由表1可以看出:高温有利于丙烯腈接枝改性胶原蛋白反应的进行,但温度过高时,引发剂消耗过快,改性单体容易发生自聚,降低了胶原蛋白的接枝率。另外,丙烯腈单体的沸点为77.3℃,温度过高也会导致单体的损失过大,因此,在合成中所选的温度为68～75℃。
(2)反应时间对丙烯腈接枝胶原蛋白反应的影响
试验研究了随着反应时间的延长,改性胶原蛋白的相对黏度和在水中凝固率的变化情况,反应条件为硫氰酸钠溶液浓度51%,单体用量为胶原蛋白量的80%,引发剂用量占单体量的2%,反应温度70℃。结果如图1所示。
由图1中可以看出:在反应前90min,改性胶原蛋白的相对黏度和凝固率随着反应时间迅速上升;随着反应时间的继续延长,改性胶原蛋白的相对黏度持续缓慢上升,但改性胶原蛋白的凝固率有下降的趋势。所以,确定丙烯腈接枝改性胶原蛋白的反应时间为1.5～2.0h,在该反应时间内可以得到凝固率和黏度都比较理想的改性胶原蛋白。
(3)引发剂用量对丙烯腈接枝胶原蛋白反应的影响
试验比较了不同引发剂用量下,丙烯腈接枝改性胶原蛋白的反应情况,结果如表2所示。
由表2可以看出:引发剂用量过少时溶液中自由基浓度低,不能正常引发反应;即使引发剂用量足够引发反应,如果量不够,反应转化率也会比较低,得到的改性胶原蛋白在水中的凝固情况也会不太理想;如果引发剂的用量过大,会使改性物的分子质量过小,也会影响改性胶原蛋白的凝固率。由表2结果可以看出,当引发剂的用量占单体量的2%～4%时改性效果比较理想。
(4)硫氰酸钠溶液浓度对丙烯腈接枝胶原蛋白反应的影响
胶原蛋白能够溶于任何浓度的硫氰酸钠水溶液中,但丙烯腈单体和反应产物(聚丙烯腈和改性胶原蛋白)的溶解性能与硫氰酸钠溶液的浓度有关系,试验研究了不同浓度硫氰酸钠溶液体系下的接枝改性反应,结果如表3所示。
注:反应条件为硫氰酸钠溶液浓度51%,单体用量为胶原蛋白量的80%,引发剂用量占单体量的2%,反应时间2.5h。
注:反应条件为硫氰酸钠溶液浓度51%,单体用量为胶原蛋白量的80%,反应时间1.5h,反应温度70℃。
注:反应条件为单体用量为胶原蛋白量的80%,反应时间1.5h,引发剂用量占单体量的2%,反应温度70℃。
由表3中可以发现:当硫氰酸钠溶液浓度过低时,产生粥状沉淀物,影响反应的正常进行。这是因为当硫氰酸钠浓度过低时,聚丙烯腈改性胶原蛋白及聚丙烯腈在硫氰酸钠溶液中的溶解度降低,不能使聚合物溶解;当浓度过高时,也不利于反应的进行。一方面是会使体系的黏度升高,不利于搅拌均匀;另一方面会使硫氰酸钠的用量上升,不利于降低成本。由表3结果可以看出,当硫氰酸钠溶液浓度为40%～55%时,有利于改性反应的正常进行。
(5)单体用量对丙烯腈接枝改性胶原蛋白反应的影响
接枝改性反应中,单体的用量直接影响改性胶原蛋白中的聚丙烯腈含量,影响改性胶原蛋白在水中的凝固性能,试验研究了接枝反应中单体与胶原蛋白的不同比例对反应的影响。反应条件为反应时间1.5h,引发剂用量占单体量的2%,反应温度70℃,硫氰酸钠溶液浓度51%。结果如图2所示。
由图2可以看出:单体用量对改性胶原蛋白在水中的凝固率影响很大,当单体用量过少时,得到的反应产物改性程度很低,其水溶性仍旧很强,凝固率很低;随着单体用量的逐渐增加,改性胶原蛋白中聚丙烯腈的量逐渐增加,水溶性逐渐下降,在水中的凝固性上升。当单体用量较小时,随着单体用量的上升,改性胶原蛋白的凝固率迅速上升,当单体用量达到胶原蛋白量的60%以上时,随着单体用量的上升,改性胶原蛋白的凝固率上升幅度较少。由于单体用量过大会降低改性胶原蛋白中的蛋白含量,因此,单体用量为胶原蛋白量的80%～100%时,得到的改性胶原蛋白既具有较好的凝固性能,蛋白含量也比较高,比较适合于制备胶原蛋白复合纤维纺丝液。
2.2 胶原蛋白改性物和聚丙烯腈的共混性能研究
通过胶原蛋白聚丙烯腈改性研究,得到了易溶于硫氰酸钠溶液而不溶于水中的改性胶原蛋白,但是聚丙烯腈改性胶原蛋白还不能直接用于纺丝,这是因为其黏度较低,而且所得纤维的强度也比较低,还需要进一步进行复配,制备适合于湿法纺丝的聚丙烯腈—胶原蛋白复合纤维纺丝液。
2.2.1 改性胶原蛋白与聚丙烯腈的共混
改性胶原蛋白与聚丙烯腈的共混比例,对所得纤维的各项性能影响很大,如:机械强度、吸湿性能、手感和纤度等。复合纤维中的改性胶原蛋白成分,主要赋予纤维手感、吸湿性能和染色性能;复合纤维中的聚丙烯腈成分,主要赋予纤维机械强度和柔韧性能。纺丝液中各组分的比例与纤维性能的关系如图3所示。
因此,可以通过控制纺丝液中胶原蛋白和聚丙烯腈的配比,得到具有所需性能的胶原蛋白复合纤维产品,也可以制备不同胶原蛋白含量的纺丝液,以得到系列化的胶原蛋白复合纤维产品。
2.2.2 聚丙烯腈—胶原蛋白复合纤维纺丝液的凝固和再溶解
由表4可以看出:经过凝固洗涤处理后,纺丝液的黏度和凝固率都得到了大幅度的提高,说明小分子杂质被分离出去,有利于提高纺丝液的可纺性能,得到强度较高的胶原蛋白复合纤维产品。
2.2.3 凝固废液的循环利用
凝固和洗涤处理虽然可以提高纺丝液的性能,但得到的凝固废液中含有大量的硫氰酸钠,以及残余单体、未反应单体和低改性程度的胶原蛋白,会对环境造成极大的污染,因而在研究中对凝固废液进行循环利用,回收其中的各种原料,降低胶原蛋白复合纤维的生产成本。凝固废液的循环利用技术路线如图4所示。
将共混液凝固后得到的凝固废液和洗涤废液合并,先通过减压蒸馏回收废液中未反应的单体,回收的单体可以继续用于胶原蛋白的接枝改性;再分析废液中的硫氰酸钠含量,并将废液浓缩到硫氰酸钠含量为50%左右;过滤除去废液中小颗粒杂质,测定浓缩液中的胶原蛋白含量,然后补充胶原蛋白到反应所需的浓度,继续进行接枝共聚改性反应,使废液可以一直得到循环利用,降低生产成本和防止对环境的污染。
3 结论
本文主要研究了聚丙烯腈—胶原蛋白复合纤维纺丝液的制备。研究了胶原蛋白的聚丙烯腈接枝改性方法,得出聚丙烯腈—胶原蛋白接枝共聚的合成条件为:温度为68～75℃;引发剂的用量占单体量的2%～4%;反应时间为1.5～2.0h;硫氰酸钠溶液浓度为40%～55%。单体用量为胶原蛋白量的80%～100%。
通过研究改性胶原蛋白和聚丙烯腈的共混性能得出:可以通过控制纺丝液中胶原蛋白和聚丙烯腈的配比,得到具有所需性能的胶原蛋白复合纤维产品,也可以制备不同胶原蛋白含量的纺丝液,以得到系列化的胶原蛋白复合纤维产品。试验还使用凝固再溶解的方法,纯化聚丙烯腈—胶原蛋白复合纤维纺丝液,并将凝固和洗涤废液回收再利用,降低生产成本和避免对环境的污染。
摘要：研究了胶原蛋白的聚丙烯腈接枝改性,得到易溶于硫氰酸钠溶液而不溶于水的改性胶原蛋白。改性胶原蛋白具有与聚丙烯腈类似的溶解和凝固性能,可以与聚丙烯腈按一定比例共混制备聚丙烯腈—胶原蛋白复合纤维纺丝液。使用凝固再溶解的方法纯化聚丙烯腈—胶原蛋白复合纤维纺丝液,并将凝固和洗涤废液回收再利用,可降低生产成本和避免对环境的污染。
关键词：聚丙烯腈,胶原蛋白,复合纤维纺丝液,制备
参考文献
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聚丙烯腈纳米纤维 篇7
非织造布具有独特的曲径结构、生产工艺流程短、产量高、成本低、易与其他材料复合及易在生产过程中进行打洞、折叠、模压成型等深加工处理等优点,因此在过滤材料中占很大的比重[4]。但目前国内用于过滤PM2.5的非织造布还不够理想(如防护口罩)。静电纺纳米纤维毡的纤维直径小、比表面积大和吸附能力强,在去除空气中直径为1~5μm的颗粒时,有极高过滤效率,几乎100%截留[5]。本研究通过静电纺丝的方法,制备聚丙烯腈纤维毡并对其性能进行了表征,研究各工艺参数对纤维毡的孔径及纤维直径的影响,为后续研究电纺纤维毡与非织造布的复合提供依据。
1 实验部分
1.1 试剂
聚丙烯腈粉末(PAN,MW=50000),浙江上虞吴越经贸有限公司;N,N-二甲基甲酰胺(分析纯),国药集团化学试剂有限公司。
1.2 仪器
电热恒温鼓风干燥箱(DGG-9070B型),上海森信实验仪器有限公司;电子天平(JA2003N型),上海菁海仪器有限公司;恒温磁力搅拌器(H97-A型),上海梅颖浦仪器仪表制造有限公司;静电纺丝设备,自制;真空干燥箱(DZG-6050D型),上海森信实验仪器有限公司;扫描电子显微镜(SU-1510型),日本HITACHI公司;毛细管流动空隙测量仪(CFP-1100A型),美国施多威尔有限公司;涂镀层测厚仪(DUALSCOPE MPO型),上海秀中电子设备有限公司。
1.3 静电纺PAN纤维毡的制备
将一定量的PAN溶于N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中,在60℃水浴中磁力搅拌6h,得到均匀的纺丝液。将上述纺丝液倒入针筒中,采用自制的静电纺丝设备,由铝箔包覆的平板接收,制备静电纺PAN纤维毡。
在前期实验的基础上,正交试验选择纺丝液浓度、施加电压和接收距离3个因素。假设不考虑因素之间的交互作用,安排L9(33)正交试验。正交试验因素、水平表见表1。
在正交所有实验设计的纺丝工艺下,连续电纺一段时间,将电纺纤维毡连同铝箔从平板上取下,置于真空烘箱中24h,以除掉纤维毡中的残留溶剂[6],以备后续性能测试。
1.4 静电纺PAN纳米纤维毡性能表征
(1)孔径测试:采用毛细管流动孔隙测量仪(CFP-1100A型,美国施多威尔有限公司)测试纤维毡的孔径。测试原理是在压力的作用下,根据气体通过干、湿样品毛细孔的流量变化,分析、计算平均孔径及孔径分布[7]。
(2)直径测试:用粒径测试软件,随机抽取纤维毡中的100根纤维,计算纤维的平均直径及变异系数。
(3)厚度测试:采用测厚仪(DUALSCOPE MPO型,上海秀中电子设备有限公司),参照GB/T 24218.2—2009[8]对纤维毡厚度进行多次测试取平均值。测试条件:试样在标准大气压下调湿24h,温度25℃,湿度60%[9]。
(4)形貌分析:将最佳工艺下纺制的纤维毡剪取适当大小,经喷金处理后,采用扫描电子显微镜(SU-1510型,日本HITACHI公司)将纤维毡放大10000倍,观察并记录纤维的形貌。
2 结果与讨论
2.1 正交试验结果与分析
2.1.1 工艺参数对纤维毡平均孔径影响
正交试验数据表见表2。从表2可知,影响纤维毡平均孔径的因素权重为:B>C>A,其中施加电压、接收距离对纤维毡平均孔径的影响相当,纺丝液浓度对其的影响次之。通过计算可知,K1p、K2p、K3p(施加电压为不同水平时,平均孔径的总和)大体上成减小趋势。因此,随着施加电压增加,平均孔径大体上呈减小的趋势。正交试验得出的最佳工艺因素水平搭配为A2B2C2,即纺丝液浓度为12%(wt,质量分数,下同)、施加电压为15kV、接收距离为165mm,此工艺下纤维毡的孔径分布情况图见图1。
注:①K表示不同水平下试验结果之和;k表示K值的平均值,即K/3;R表示极差,即k值的最大值与最小值之差;下标p为平均孔径;下标d为平均直径,下同。
从图1可知,纤维毡的孔径集中分布在0.40~0.60μm,此区间的孔径达99%。纤维毡的平均孔径为0.48μm。因此,最佳工艺纤维毡的孔径小且集中。
2.1.2 工艺参数对纤维平均直径的影响
如表2所示,影响纤维平均直径的因素权重为:A>B>C。通过计算可知,K1d、K2d、K3d(纺丝液浓度为不同水平时,平均直径的总和)从0.45μm增加到0.69μm。因此,随着纺丝液浓度增加,纤维平均直径呈增加趋势。这是因为当纺丝液浓度增加时,聚合物黏度增加,而纤维平均直径与聚合物黏度、表面张力有相同趋势[10]。静电力拉伸液滴时所要克服的表面张力大,难以分裂成更多更细的细流;其次细流里溶质增加,也会导致纤维直径增加[11]。
在电纺过程中,施加电压对纤维直径也有一定影响。计算得出,K1d、K2d、K3d(施加电压为不同水平时,平均直径的总和)先增加后减小;因此,随着施加电压的增加,纤维平均直径先增大后减小。这是因为纤维直径的变化与纺丝液所处的电场的有关。在纺丝的过程中,随着施加电压的增加,电场强度增大,液体表面电荷之间的静电斥力和射流所受的拉伸力也增大,二者共同作用使得纤维直径变细;由于纺丝液减少,导致纺丝速度加快,射流所受拉伸变细的时间缩短,对纤维直径的降低不利[12]。因此,当施加电压为10~15kV时,后者对纤维平均直径的影响较大,施加电压为15~20kV时,前者对纤维平均直径的影响较大。
2.2 厚度指标测试
从表3可以看出,实验编号6、9纺丝工艺下,纤维毡厚度分别为40.93μm、53.61μm,其他实验编号的纤维毡厚度集中在6.60~17.00μm。实验编号6的纺丝工艺为:纺丝液浓度为12%、施加电压20kV、接收距离150mm。实验编号9的纺丝工艺为:纺丝液浓度为14%、施加电压20kV、接收距离165mm。与其他实验编号的工艺相比,实验编号6、9的纺丝液浓度、施加电压较大。而纺丝液的浓度是影响纤维直径的主要因素(见表2),随着纺丝液浓度增加,纤维的直径变粗。这可能是引起纤维毡厚度变化的原因。由表3可得,纤维毡厚度变异系数集中在5.81%~9.15%。
2.3 纤维毡形貌分析
图2为最佳工艺下纤维毡的扫描电镜图(SEM),通过图2可观察纤维的外观形貌。从图看出,纤维沿着各个方向都有分布,这是平板静电纺丝的特点(取向度差),但纤维直径没有明显差异。
最佳工艺所纺纤维直径分布图见图3。从图可看出,纤维直径分布比较集中,全部分布在0.1~0.2μm和0.2~0.3μm2个区域里。另外,纤维的平均直径为0.22μm。因此,最佳工艺纺制的纤维直径小且集中。
3 结论
(1)在正交试验中,施加电压是影响纤维毡平均孔径的主要因素,纺丝液浓度和接收距离的影响次之。随着施加电压的增加,纤维毡平均孔径大体呈减小的趋势。
(2)纺丝液浓度是影响纤维平均直径的主要因素,施加电压影响次之,影响最小的因素是接收距离。随着纺丝液浓度的增加,纤维平均直径呈现增加的趋势。
(3)在正交试验中,选择的最佳工艺:纺丝液浓度为12%、施加电压15kV、接收距离165mm。最佳工艺下纺制的纤维毡中,孔径和纤维直径小且集中,纤维毡均匀度较好。
摘要：以聚丙烯腈为原料,N,N-二甲基甲酰胺为有机溶剂,用静电纺丝方法纺制聚丙烯腈纤维毡,并测试了纤维毡的平均孔径和直径,研究了纺丝液浓度、施加电压、接收距离对孔径和纤维直径的影响,实验表明:施加电压、接收距离对平均孔径影响较大,纺丝液浓度对其的影响次之;纺丝液浓度是影响纤维直径的一个重要参数。正交试验得出的最佳工艺:纺丝液浓度12%(wt,质量分数)、施加电压15kV、接收距离165mm;此工艺下纺制的纤维毡中,孔径和纤维直径小且集中,纤维毡均匀度好。
关键词：聚丙烯腈,纤维毡,正交试验,静电纺
参考文献
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聚丙烯腈纳米纤维 篇8
1 聚丙烯腈纤维改善混凝土性能机理
聚丙烯腈纤维混凝土是聚丙烯腈纤维增强混凝土的简称, 通常是采用水泥净浆、砂浆或者混凝土为基体, 以非连续的短纤维或者连续的长纤维作为增强材料, 所组成的水泥复合材料。比较一致的观点认为:由于纤维的掺入, 主要是吸收水泥基材开裂时释放的能量, 并因而阻止基材中裂缝的扩展对混凝土基体产生了增强、增韧和阻裂等效应, 从而增加了混凝土的强度、韧性、耐腐蚀性等, 并且改变了混凝土的脆性、易开裂性及其破坏形态, 延长了混凝土的使用寿命, 其阻裂机制和阻裂效果主要取决于纤维的种类与性能、纤维的体积率、纤维的长度与分布情况、纤维的取向、纤维与水泥基材的粘结强度等。
研究聚丙烯腈纤维混凝土的力学性能, 并探讨纤维掺量对聚丙烯晴纤维混凝土的轴心抗压强度、劈拉强度、抗折强度以及受压弹性模量等的影响规律, 为工程应用提供参考。
2 试 验
2.1 试验材料性能
水泥:湖北华新水泥厂堡垒牌42.5 MPa普通硅酸盐水泥, 密度为3.13 g/cm3;
细骨料:河砂, 细度模数2.64, 为中砂, 干密度2.69 g/cm3;
粗骨料:碎石, 5～16 mm连续级配;
聚丙烯腈纤维[3]:主要技术参数见表1。
聚丙烯腈纤维是以聚丙烯腈 (腈纶) 为原料, 经特殊表面处理的新型水泥混凝土抗裂增强纤维, 其分子中所含的极性腈基 (—CN) 具有亲水性, 表面经过特殊处理, 表面纹理丰富, 使得纤维在混凝土中分散性良好, 其微观表面及分散状况分别如图1～图3所示。
2.2 试验设计
聚丙烯晴纤维混凝土基本力学性能的试验研究, 包括抗压强度、劈裂抗拉强度等方面内容, 并参照《普通混凝土力学性能试验方法标准》 (GB/T50081-2002) 进行试验试件设计:抗压强度试验采用150 mm×150 mm×150 mm标准试件, 劈拉强度试验采用150 mm×150 mm×150 mm标准试件, 聚丙烯腈纤维为目前常用的25 mm长纤维。
试验主要探讨纤维掺量对聚丙烯晴纤维混凝土基本力学性能的影响规律, 采用的纤维长度和掺量 (纤维体积率) 如表2所示, 所有试件混凝土配制等级均为C30, 配合比为W:C:S:G=190:339:636:1235。试验共设计4组试件, 其中Al组为素混凝土试件, A2～A4组试件采用的纤维长度为25 mm, 每组试件数为12个, 分别用于3 d和28 d的轴心抗压强度、劈裂抗拉强度试验, 本试验共制作了48个试件。
由于聚丙烯腈纤维具有良好的分散性和亲水性, 因此在搅拌混凝土的时候, 将聚丙烯腈纤维和砂子、石子以及水泥掺加到一起先进行干拌;干拌30 s之后, 加入所需的水, 再拌和150 s后出锅。试件制作完成后, 在20 ℃±5 ℃的环境下静置24 h后拆模并进行编号, 然后送到标准养护室, 在20 ℃±3 ℃、湿度为95%的条件下养护28 d。
3 试验结果与分析
参照《普通混凝土力学性能试验方法标准》 (GB/T50081-2002) , 进行聚丙烯腈纤维混凝土的轴心抗压强度、劈裂抗拉强度等基本力学性能试验, 试验结果汇总于表2、表3中;表中, 轴压强度和劈拉强度的单位均为MPa, “提高值”, “提高幅度”均是指与素混凝土试件相比较的结果。
3.1 轴心抗压强度
聚丙烯腈纤维属于低弹模纤维, 因此, 它对混凝土轴心抗压强度的改善, 无论是早期强度还是标准强度并不十分显著, 提高幅度均不大。从表2和图5中可以看到, 与素混凝土相比, 聚丙烯腈纤维混凝土的抗压强度是一般是随着纤维掺入量的增大而提高。但对于早期抗压强度在纤维参量为1.1 kg/m3时, 提高幅度最大, 达5.26%, 可是28 d的抗压强度却相对下降, 纤维参量为0.9 kg/m3时, 28 d强度提高幅度最大, 达8.41%。
这说明对于聚丙烯腈纤维混凝土的抗压强度, 存在一个最佳的纤维体含量, 使聚丙烯晴纤维对混凝土的早期抗压强度和28天抗压强度的提高作用达到一个最佳值。
3.2 劈裂抗拉强度
聚丙烯腈纤维具有较高的延伸率和抗拉强度, 因此, 它对混凝土劈拉强度的改善较为明显。从表3和图6中可以看到, 与素混凝土相比, 聚丙烯腈纤维混凝土的劈拉强度, 只有纤维的掺入量达到1.1 kg/m3时, 早期劈拉强度才有提高。但是28 d的劈拉强度均可提高, 幅度在14.98%～22.00%之间, 并且在纤维的掺入量达到1.1 kg/m3时达到最大。
这说明对劈拉强度, 同样存在一个最佳的纤维掺入量, 超过该掺入量, 聚丙烯晴纤维对早期劈拉强度才有提高, 而对于28 d劈拉强度, 一般均有提高, 因此在使用时应注意纤维掺入量对于早期强度提高的影响。
4 结 论
1) 掺入低掺量的聚丙烯腈纤维, 对混凝土的早期抗压强度有提高作用, 但对于28 d抗压强度则存在一个最佳的聚丙烯腈纤维的掺入量, 超过该掺入量, 则纤维对混凝土的抗压强度的增强作用相对下降。
2) 掺入低掺量的聚丙烯腈纤维, 可以明显提高混凝土的28 d的劈裂抗拉强度, 而对于早期劈拉强度则要达到一定的掺入量才有提高作用。
3) 聚丙烯腈纤维混凝土存在一个最佳的聚丙烯腈纤维的掺入量;超过该掺入量, 纤维对混凝土的抗压强度、劈拉强度等基本力学性能的增强作用相对下降, 在使用时应根据工程实际对早期强度和28 d强度的要求确定聚丙烯腈纤维的掺入量。通过本次试验得到对于C30混凝土的最佳聚丙烯腈纤维掺入量为1.0 kg/m3。
摘要：针对聚丙烯腈纤维混凝土的基本力学性能进行室内试验研究, 研究纤维掺量与混凝土的抗压强度、劈拉强度之间的关系。试验结果表明, 与素混凝土相比, 聚丙烯腈纤维混凝土的抗压强度、劈拉强度随纤维掺入量的增加而各不同, 存在一个最佳的纤维掺入量。
关键词：聚丙烯腈纤维,混凝土,抗压强度,劈拉强度
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