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    聚丙烯腈材料改性方法及研究進(jìn)展

    2022-04-25 07:41:00陳文靜楊小龍韓順濤馬秀清
    中國塑料 2022年4期
    關(guān)鍵詞:親水性阻燃性阻燃劑

    陳文靜,楊小龍,韓順濤,韓 穎*,馬秀清**

    (北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,北京 100029)

    0 前言

    聚丙烯腈(PAN)是一種熱敏性材料,為白色或略帶黃色的粉末狀,不溶于水,但能溶于極性有機(jī)溶劑中,如N,N?二甲基甲酰胺、硝酸亞乙基酯等[1]。以PAN為原料制備的纖維或纖維膜具有較好的蓬松性、保暖性、化學(xué)穩(wěn)定性和耐磨性,目前已被廣泛應(yīng)用于紡織、食品包裝等領(lǐng)域[2]。但純PAN材料一般具有以下缺陷:(1)普通PAN纖維的極限氧指數(shù)值僅為18%左右,屬于易燃纖維,且PAN纖維在燃燒過程中會(huì)釋放出氰化氫(HCN)、一氧化碳(CO)、氨氣(NH3)等有毒氣體,嚴(yán)重危害人們的健康;(2)PAN分子鏈中存在極性較強(qiáng)且規(guī)整排列的氰基,使得PAN的吸濕性較差,回潮率也僅為1.2%~2%。在實(shí)際應(yīng)用中,PAN膜作為超濾膜使用時(shí)容易產(chǎn)生膜污染,減少膜的使用壽命;(3)PAN纖維是一種制備高性能纖維的優(yōu)質(zhì)前驅(qū)體,PAN作碳纖維原絲時(shí),需要滿足強(qiáng)度、模量等力學(xué)性能方面的要求;(4)PAN熔點(diǎn)溫度與分解溫度十分接近,物料在加熱時(shí)還未熔融就已分解。針對(duì)以上缺陷,需要對(duì)PAN采用不同的改性方法,以滿足各領(lǐng)域的應(yīng)用需要。

    本文將著重從化學(xué)改性和物理改性兩個(gè)方面總結(jié)了近年來PAN材料改性的最新研究進(jìn)展,其中化學(xué)改性主要包含共聚改性、接枝改性,物理改性有共混改性、后整理法以及增塑改性,同時(shí)對(duì)不同改性方法的特點(diǎn)進(jìn)行了分析,并對(duì)其功能化改性方向和未來發(fā)展趨勢做了展望,為后續(xù)的研究起到了一定的參考作用。

    1 化學(xué)改性

    1.1 共聚改性

    共聚改性是高分子聚合物改性常用方法之一,PAN材料的共聚改性通常是將丙烯腈(AN)單體與一種或多種功能性單體進(jìn)行共聚反應(yīng),從而使PAN材料的熱穩(wěn)定性、阻燃性、親/疏水性、抗菌性以及抗紫外性等能夠得到一定的改善。常用于與AN進(jìn)行共聚反應(yīng)的單體有馬來酸酐(MA)、偏二氯乙烯(VDC)、甲基丙烯酸(MAA)、衣康酸(IA)、馬來酸二甲酯(DMM)等。

    劉曉輝等[3]采用MA和MAA這兩種價(jià)廉易得的單體來分別與AN進(jìn)行共聚,以此來改善PAN的親水性能。結(jié)果表明:相較于單體MA,單體MAA更適合與AN進(jìn)行共聚改性,當(dāng)MAA與AN的配比為15∶85時(shí),共聚體系的轉(zhuǎn)化率最高可達(dá)93.49。由于共聚產(chǎn)物中含有親水性的羥基基團(tuán),斷面存在海綿體和大孔結(jié)構(gòu),極大程度的改善了PAN的親水性能。

    李燕芬等[4]制備了AN與IA的共聚產(chǎn)物,并采用沉浸凝膠相轉(zhuǎn)化法制備了超濾膜。結(jié)果表明:隨著單體IA在體系中質(zhì)量分?jǐn)?shù)的不斷增大,共聚物超濾膜的親水性和純水通量逐漸提高,抗污染性增強(qiáng),這是因?yàn)閱误wIA分子鏈中存在著親水性基團(tuán)——羧基,使得聚合物與水分子之間的結(jié)合能力增強(qiáng)。當(dāng)IA質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時(shí),超濾膜的水通量相較于純PAN膜提高了2.39倍,過濾牛血清蛋白溶液后的總污染指數(shù)和通量恢復(fù)率分別為55.79%、86.51%。同時(shí)超濾膜在污染后經(jīng)過簡單水洗就可以使水通量恢復(fù)85%,極大程度上提高了超濾膜的使用率。

    薛東等[5]將二甲基乙烯磷酸鹽(DMVP)與AN共聚。隨著DMVP含量的增加,提高了共聚物的熱穩(wěn)定性,阻燃性能明顯得以改善。當(dāng)DMVP質(zhì)量分?jǐn)?shù)為22.6%時(shí),共聚物的極限氧指數(shù)從18.6%上升至30%,殘?zhí)苛坑杉働AN的47.7%增加至67.1%,熱釋放峰值和總熱釋放降低70%和33%,表明阻燃效果極好。

    趙斯梅等[6]將醋酸乙烯酯(VAC)與AN按照不同配比進(jìn)行共聚反應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn),隨著VAC單體含量的增加,由其水解衍生物所制備的阻燃丙烯腈共聚物的極限氧指數(shù)值也在不斷增加,但是對(duì)PAN的阻燃效率卻呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢。當(dāng)共聚物中VAC單體含量為20%時(shí),共聚物的阻燃效果與經(jīng)濟(jì)性最好,極限氧指數(shù)值和阻燃效率分別為26%、0.42。差示掃描量熱儀(DSC)結(jié)果表明:VAC的引入阻礙了AN分子鏈中氰基的環(huán)化,使共聚物的環(huán)化機(jī)理發(fā)生了改變,熱分解溫度得到了明顯提高。

    魏子行等[7]合成了一種新型有機(jī)磷酸酯功能阻燃劑9,10?二氫?9?氧雜?10?磷雜菲?10?氧甲基丙烯酸酯(DOPOAA),通過水相沉淀聚合法將其與AN進(jìn)行共聚,并與脂肪結(jié)構(gòu)磷酸酯阻燃劑DEAMP共聚物的阻燃效果進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果如圖1和圖2所示,阻燃劑DOPOAA和DEAMP均能有效提升PAN的阻燃性能,由于DOPOAA兼具氣相與凝聚相阻燃作用,所以對(duì)共聚物的阻燃效果更好。當(dāng)DOPOAA質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時(shí),阻燃PAN的極限氧指數(shù)值為25.1%,熱釋放速率峰值和總釋放熱分別為598.16 kW/m2和28.19 MJ/m2,較純丙烯腈共聚物分別下降了41.33%和19.36%。

    圖1 阻燃PAN的極限氧指數(shù)Fig.1 Limit oxygen index of flame retardant polyacrylonitrile

    圖2 PAN的燃燒性能Fig.2 Combustion performance of polyacrylonitrile

    1.2 接枝改性

    接枝改性是指將功能性單體加入聚合物中,利用光、熱、高能射線和引發(fā)劑使得聚合物材料表面產(chǎn)生活性自由基,從而引發(fā)功能性單體接枝聚合。例如PAN可以與親水性單體丙烯酰胺(AM)接枝來改善PAN的親水性。目前常用的材料表面接枝改性法主要有化學(xué)接枝法、等離子體誘導(dǎo)接枝法、紫外光誘導(dǎo)接枝法等。接枝改性具有操作簡單、設(shè)備成本較低、接枝率容易控制等特點(diǎn),近年來已逐漸吸引了研究學(xué)者們的注意。

    陳志軍等[8]以過氧化苯酰為引發(fā)劑,將單體AM通過化學(xué)接枝法接枝到PAN纖維上來改善親水性能。在配比和反應(yīng)條件分別為AN濃度0.8 mol/L、溫度85℃、反應(yīng)時(shí)間120 min下,單體AM的導(dǎo)入率達(dá)到最大值127.9%。相關(guān)測試結(jié)果表明:經(jīng)過接枝改性后PAN纖維的親水性能有了明顯的提高。單體AM的引入也提高了PAN纖維的分解溫度和熱穩(wěn)定性,但是斷裂伸長率略有降低,從55.94%降低至48.16%。

    Nie等[9]將PEG接枝到PAN膜表面,采用傅里葉變換紅外光譜(FTIR)、掃描電子顯微鏡(SEM)和固液滴接觸角測量對(duì)膜表面形貌和性能進(jìn)行了表征。結(jié)果表明:PEG的引入降低了膜與水之間的接觸角,顯著提高了血小板粘附能力。通過牛血清白蛋白(BSA)過濾實(shí)驗(yàn)對(duì)比了純PAN膜和改性膜的滲透能力,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),與純PAN膜相比,接枝改性膜的溶液通量增加了6倍,BSA吸附率降低了67%。改性膜在清洗后的通量恢復(fù)率更高,總污染降低了63%,說明PFG的接枝明顯改善了PAN膜的抗污染性能和生物相容性。

    桑明珠等[10]用石墨烯(GO)和酸化多壁碳納米管(MWCNTs)來協(xié)同改性PAN纖維。FTIR結(jié)果表明GO和MWCNTs成功接枝到PAN纖維表面。當(dāng)GO/MWCNTs溶液中配比為1∶1時(shí),改性PAN纖維的拉伸強(qiáng)度和導(dǎo)電性能隨著GO/MWCNTs溶液含量的增加呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢,在溶液含量為0.2%時(shí)均達(dá)到最大值;當(dāng)固定GO/MWCNTs溶液的含量為0.2%,改性PAN纖維的拉伸強(qiáng)度在GO/MWCNTs為2∶1時(shí)最佳,能達(dá)到40.13 MPa,比未改性PAN纖維提高了32.97%。

    等離子體誘導(dǎo)接枝法能夠使聚合物材料表面的自由基反應(yīng)更加劇烈,從而使接枝單體更容易地引入到材料表面。張麗巧等[11]首先利用低溫氨等離子體來處理PAN超濾膜,然后采用氣相法使AA單體與其接枝共聚。測試結(jié)果表明:改性后的超濾膜與純水間的接觸角明顯降低,由初始膜的57°降低至17°,表明改性后超濾膜的親水性能明顯提高。污染后的改性超濾膜經(jīng)過簡單水洗后就可以使水通量恢復(fù)92%,堿洗后可恢復(fù)96%。

    雖然采用低溫等離子體法改性PAN材料取得的效果十分明顯,但設(shè)備操作復(fù)雜,改性效果不穩(wěn)定,且很難實(shí)現(xiàn)可控改性。相比于等離子體誘導(dǎo)接枝法,紫外光接枝法的成本較低,容易連續(xù)性操作。Ren等[12]將甲基丙烯酸縮水甘油酯(GMA)通過紫外光誘導(dǎo)接枝聚合技術(shù)成功接枝到PAN纖維表面,然后對(duì)接枝PAN纖維進(jìn)行氨化和磷酸化處理,進(jìn)而得到PAN阻燃織物。結(jié)果表明:經(jīng)過30次的洗滌后,阻燃織物的極限氧指數(shù)值仍然高達(dá)30.7%,表明接枝后的PAN纖維的耐洗性和阻燃耐久性得到明顯改善。王曉等[13]先用AA對(duì)羥基磷灰石進(jìn)行酯化反應(yīng),然后通過紫外光將酯化后的羥基磷灰石接枝到PAN大分子上,從而得到光接枝復(fù)合膜,并與未接枝共混膜進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明:經(jīng)過紫外光接枝后的復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性有了一定程度的提高。相較于未接枝共混膜,光接枝復(fù)合膜的拉伸強(qiáng)力較強(qiáng),這是因?yàn)楣饨又^程增強(qiáng)了改性后的羥基磷灰石與PAN之間的相容性和界面結(jié)合性。

    2 物理改性

    2.1 共混法

    相比于化學(xué)改性法,共混法具有成本低廉、簡單易操作等優(yōu)點(diǎn)。通過機(jī)械共混的方式來提升PAN材料的性能是PAN改性過程中較為廣泛使用的方式之一,共混能夠方便快捷地對(duì)PAN進(jìn)行功能化的改性。PAN共混改性中常通過添加阻燃劑、導(dǎo)電物質(zhì)、抗菌劑或抗靜電劑,來改善其力學(xué)性能、阻燃性以及抗菌性等。

    劉曉輝等[14]利用植酸和乙酸銅制備植酸銅螯合物阻燃劑,然后采用共混法將其添加到PAN溶液中。由于PAN對(duì)Cu+的吸附作用,所以Cu+與PAN大分子形成相比于Mg+、Zn+等金屬離子更加牢固的環(huán)狀螯合結(jié)構(gòu)。當(dāng)植酸銅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%時(shí),PAN共混膜基本無黑煙產(chǎn)生,自熄性最佳,比純PAN殘?zhí)苛刻岣吡?7.4%,在共混體系燃燒過程中植酸銅通過凝聚相阻燃機(jī)理發(fā)揮了阻燃作用。

    劉蕓菲等[15]以硼酸、三聚氰胺、磷酸為原料,通過兩步法合成了阻燃劑三聚氰胺硼酸磷酸鹽(MPB),并將其與PAN按照不同配比進(jìn)行共混來改善PAN的阻燃性能,研究結(jié)果如圖3所示,添加阻燃劑MPB后,共混物的極限氧指數(shù)有了明顯的提高,其數(shù)值隨著MPB添加量的增加不斷增大,當(dāng)阻燃劑含量為40%時(shí),共混PAN的極限氧指數(shù)為26%,較純PAN增加了44.44%。

    圖3 PAN/MPB復(fù)合材料的極限氧指數(shù)Fig.3 Limit oxygen index of PAN/MPB composites

    Iwona等[16]將銀納米粒子添加在PAN紡絲溶液來制備復(fù)合纖維,并對(duì)其性能進(jìn)行了相應(yīng)表征。結(jié)果表明:銀納米粒子的加入對(duì)PAN纖維的熱學(xué)、力學(xué)性能均有顯著影響。相比于純PAN纖維,改性后的復(fù)合纖維結(jié)晶度明顯增大。FTIR、DSC和熱重分析表明,復(fù)合纖維具有更優(yōu)異的強(qiáng)度,但伸長率略有較低。

    趙東宇等[17]將酸化后的MWCNTs和PAN在N,N—二甲基甲酰胺(DMF)溶劑中溶解,然后采用相轉(zhuǎn)換法制得了PAN/CNTs復(fù)合薄膜,研究了CNTs的添加量對(duì)復(fù)合薄膜性能的影響。SEM觀測到CNTs在PAN基質(zhì)中的分散良好。力學(xué)測試結(jié)果表明:復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和儲(chǔ)能模量隨著CNTs添加量的增加逐漸提升,而斷裂伸長率卻有所降低,這是因?yàn)镃NTs的剛性較強(qiáng),增強(qiáng)共混體系強(qiáng)度的同時(shí)反而會(huì)降低柔韌性。當(dāng)MWCNTs的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時(shí),復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度較純PAN提高了約63%,動(dòng)態(tài)力學(xué)儲(chǔ)能模量提高了約560%。

    Kambale等[18]以PAN為基體材料,采用熱壓法制備了PAN/鈮酸鉀鈉(KNN)復(fù)合材料,其中KNN由碳酸鈉、碳酸鉀、五氧化二鈮合成。SEM觀測到KNN顆粒在PAN基質(zhì)中的分散性良好,沒有形成大的團(tuán)簇。復(fù)合材料的介電常數(shù)隨KNN含量的增加而增大,當(dāng)KNN體積分?jǐn)?shù)為30%時(shí),復(fù)合材料的介電常數(shù)增加428%,而耗散系數(shù)僅為0.18;復(fù)合材料的直流電阻率隨KNN體積分?jǐn)?shù)的增加而略有下降,但由于電阻率的數(shù)量級(jí)均為109Ω?m,因此保持了復(fù)合材料的絕緣性。與純PAN相比,KNN的加入可以明顯提高PAN的熱穩(wěn)定性,復(fù)合材料在800℃下的殘?zhí)苛繌?4.8%上升至60.9%。

    Uddin等[19]以聚乙烯基苯酚(PVP)為相容劑,采用溶液混合技術(shù)制備了PAN和還原氧化石墨烯(r?GO)納米復(fù)合材料。其中PVP能分別通過Π?Π和—OH基團(tuán)與r?GO和PAN相互作用,促進(jìn)復(fù)合材料的形成。r?GO在PAN基體中呈單片均勻分布,與純PAN材料相比,復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性更好。隨著體系中r?GO含量的增加,納米復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和彈性模量也逐漸增加,當(dāng)r?GO含量為5%時(shí),納米復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度為分別為148 MPa,提高了102%,彈性模量為5.7 GPa,提高了62.9%。

    賈琳等[20]將紫外線屏蔽劑二氧化鈦(TiO2)加入到PAN溶液中,制備出PAN/TiO2復(fù)合纖維,并與純PAN纖維進(jìn)行對(duì)比,探究了TiO2含量對(duì)復(fù)合纖維紫外線防護(hù)能力的影響。經(jīng)測試表明:TiO2的加入,增加了共混溶液的導(dǎo)電率,復(fù)合纖維直徑有所減小,但表面形貌卻逐漸粗糙。復(fù)合纖維的防護(hù)性能如圖4所示,復(fù)合納米纖維的紫外線吸收能力和防護(hù)性能隨著TiO2的加入而不斷增強(qiáng),相較于純PAN纖維的紫外線防護(hù)因子為30.72,復(fù)合納米纖維的紫外防護(hù)因子最高可達(dá)1 865.49,且紫外線UVA的透射率遠(yuǎn)小于純PAN纖維。含有0.5% TiO2的復(fù)合纖維的直徑較小、表面缺陷較少,且紫外線防護(hù)性能較佳,在開發(fā)紫外防護(hù)功能織物領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

    圖4 PAN/TiO2復(fù)合纖維的紫外線防護(hù)性能Fig.4 Ultraviolet protection performance of PAN/TiO2composite fiber

    在引入添加型改性劑進(jìn)行共混法改性時(shí),為了制備的PAN材料具有理想的性能,需要嚴(yán)格控制其添加量,若添加劑過多則會(huì)導(dǎo)致其在共混體系中的分散均勻性變差,從而降低其改性效果,或者對(duì)纖維織物造成損害。田銀彩等[21]利用納米MgO作為阻燃劑對(duì)PAN進(jìn)行阻燃改性,采用靜電紡絲技術(shù)制備了PAN/MgO共混薄膜,研究了納米MgO含量對(duì)共混薄膜阻燃性能的影響。結(jié)果表明:納米MgO的加入能明顯改善PAN材料的阻燃性,共混薄膜的力學(xué)性能和阻燃級(jí)別呈現(xiàn)出先提高后降低的趨勢,當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí),阻燃效果最好,阻燃級(jí)別能達(dá)到VTM?0;同時(shí),拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率達(dá)到最大值,分別為8.75 MPa、94.82%。此外,隨著納米MgO含量的不斷增加,纖維直徑不斷減小。王輝等[22]研究了蔗糖的用量對(duì)PAN性能的影響,結(jié)果表明:蔗糖的加入促進(jìn)了PAN膜微孔的形成,微孔變得更加通透。在蔗糖用量較少時(shí)(小于6%),蔗糖能全部溶解,共混膜的親水性、水通量能隨著蔗糖用量增加而升高;當(dāng)蔗糖含量過多時(shí)(超過6%),蔗糖在體系中溶解的不夠充分,與PAN的相容性變差,共混溶液出現(xiàn)分散不均的現(xiàn)象,從而造成共混膜上的微孔數(shù)量減少,水通量降低。當(dāng)蔗糖的含量為6%時(shí),共混膜的水通量和孔隙率達(dá)到最大值,分別為421 L/m2·h和85%。

    2.2 后整理法

    后整理法指采用浸漬法、表面涂敷法、噴霧法和浸軋焙烘法等方法使改性劑通過物理過程浸入到材料內(nèi),并與材料分子鏈上的活性基團(tuán)發(fā)生反應(yīng);或通過機(jī)械手段使改性劑附著在織物表面,從而使整理后的PAN材料性能得以提升。

    張慧敏等[23]用高錳酸鉀(KMnO4)溶液浸漬PAN纖維,研究了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的KMnO4溶液與改性溫度對(duì)PAN纖維性能的影響。結(jié)果表明:官能團(tuán)MnO4?能滲透到PAN纖維內(nèi)部,并與纖維上的氰基發(fā)生環(huán)化反應(yīng)和水解反應(yīng),且當(dāng)KMnO4溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)一定時(shí)(7%),兩種反應(yīng)程度隨著改性溫度的升高逐漸增強(qiáng)。此外,改性PAN纖維的斷裂伸長率隨著改性溫度的升高逐漸增加,但拉伸強(qiáng)度和彈性模量逐漸降低。

    劉群等[24]以三異丙醇胺膦酸酯和三聚氰胺為原料,合成了一種新型膨脹型阻燃劑三異丙醇胺膦酸酯密胺鹽(PTM),通過浸軋焙烘法研究了阻燃劑原料配比、阻燃劑在體系中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、烘焙工藝對(duì)PAN纖維阻燃性能的影響。結(jié)果表明:當(dāng)原料中三異丙醇胺膦酸酯和三聚氰胺的質(zhì)量比為3∶8時(shí),在160℃下用質(zhì)量濃度為350 g/L的阻燃劑烘焙PAN纖維2 min,得到的阻燃纖維的阻燃性能明顯提升,可達(dá)到國家級(jí)標(biāo)準(zhǔn)B1級(jí)。

    周存等[25]為增強(qiáng)PAN纖維的疏水性,從而改善PAN纖維在瀝青中的分散程度。首先將疏水性能優(yōu)異的含氟表面活性劑FP?6812與改性環(huán)氧樹脂乳液進(jìn)行復(fù)配,使用制得的含氟處理劑PAERKF溶液對(duì)PAN進(jìn)行涂敷處理。結(jié)果表明:PAERKF乳液與PAN纖維之間的接觸角隨著氟單體含量的增加呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢。當(dāng)氟單體含量和涂敷量分別為0.15%和5 mg/g時(shí),接觸角值達(dá)到最大,為146.94°,PAN纖維在瀝青中的分散系數(shù)達(dá)到最大值0.89,表明此時(shí)PAN纖維具有較強(qiáng)的疏水性并且在瀝青中分散均勻。

    張嬌嬌等[26]將綠色物質(zhì)多巴胺(PDA)涂敷在PAN納米纖維膜上,制備出PAN復(fù)合納米材料。結(jié)果表明:經(jīng)過PDA涂敷處理后,納米纖維膜的斷裂強(qiáng)度和純水通量均有了明顯的提高,當(dāng)PDA的質(zhì)量濃度為1 mg/mL時(shí),復(fù)合纖維膜純水通量為14 656 L/(m2?h),較純PAN纖維膜增加了63%;PDA的質(zhì)量濃度為1.5 mg/mL時(shí),復(fù)合纖維膜的相對(duì)乳化截留率也達(dá)到最大值96.1%,表明經(jīng)過PDA處理后的納米纖維膜具有較高的過濾速度和乳化油截留率。

    以上所述的后整理法的工藝流程簡單,生產(chǎn)周期較短,成本低,具有普遍的適用性。但是,改性劑與PAN材料之間的結(jié)合較差,改性劑會(huì)隨著環(huán)境或時(shí)間的變化而逐漸從材料表面脫落。此外,用含有毒性或帶有刺激性的改性劑整理過的纖維或織物可能會(huì)對(duì)皮膚產(chǎn)生一定的刺激和危害,這也在一定程度上限制了后整理法的應(yīng)用。研究人員嘗試通過改變拉伸工藝來提高PAN纖維的取向度,從而改善其力學(xué)性能。全帥等[27]探究了拉伸倍數(shù)對(duì)PAN纖維結(jié)構(gòu)和性能的影響。結(jié)果表明:PAN纖維的直徑隨總拉伸倍數(shù)的增加而減小,纖維表面逐漸光滑,空洞減少。結(jié)晶度和取向度隨著拉伸倍數(shù)的增加而增加,拉伸強(qiáng)度和初始模量也有所提高,但是斷裂伸長率卻逐漸降低。此外,二次拉伸比一次拉伸對(duì)PAN纖維的影響更大,這是因?yàn)橐淮卫毂稊?shù)有限,PAN纖維在經(jīng)過二次拉伸后,拉伸強(qiáng)度可達(dá)8.12 cN/dtex。

    2.3 增塑法

    由于PAN分子鏈中氰基的存在,導(dǎo)致其熔融溫度高于其分解溫度。因此,有學(xué)者提出添加增塑劑來降低分子鏈上氰基之間的偶極作用,使PAN分子鏈的僵硬度和耦合作用減弱,從而實(shí)現(xiàn)PAN的熔融。常采用的增塑劑包括水、咪唑類離子液體和小分子聚合物等。

    Grove等[28]使用水作為塑化劑,通過熔融共混的方式來對(duì)PAN進(jìn)行增塑改性。結(jié)果表明:水的加入降低了PAN熔點(diǎn)和黏度,從而實(shí)現(xiàn)PAN的熔融。此外,由熔融紡絲法制備出的纖維的表面形貌和干濕法紡絲得到的PAN纖維相似,但是最終得到的碳纖維出現(xiàn)了表面缺陷和內(nèi)部的空洞結(jié)構(gòu),這些缺陷結(jié)構(gòu)導(dǎo)致碳纖維的力學(xué)性能相對(duì)較低。

    Min等[29]使用不同質(zhì)量比的高分子和添加劑與PAN進(jìn)行熔融紡絲,研究了塑化的PAN纖維的熔融行為和物理性能。結(jié)果發(fā)現(xiàn),水和碳酸乙烯酯對(duì)PAN塑化起著協(xié)同作用,熔融溫度和結(jié)晶峰都向低溫度方向移動(dòng)。相比于碳酸乙烯酯,采用水作為增塑劑來降低熔體黏度的效果更加明顯。

    Vaisman等[30]以碳酸亞乙酯(EC)作為增塑劑,通過熔融混合法制備了PAN/碳納米管復(fù)合纖維。結(jié)果表明:與PAN纖維相比,復(fù)合纖維的外觀更加光滑,碳納米管的存在有助于更高的拉伸比,產(chǎn)生更明顯的取向形態(tài)。加大拉伸倍數(shù)可以使晶體和形態(tài)取向更高,電性能提高,但是力學(xué)性能降低。

    離子液體具有熔點(diǎn)低、較寬的穩(wěn)定溫度范圍、溶解性好以及環(huán)境友好性等優(yōu)點(diǎn),近年來已逐漸受到研究學(xué)者們的關(guān)注,并將其用于PAN材料的改性研究。Li等[31]和Zheng等[32]先后以1?丁基?3?甲基咪唑鎓氯化物([Bmim]Cl)為增塑劑,制備出含有不同比例增塑劑的PAN纖維,之后用等離子水洗劑殘留溶劑,并進(jìn)行干燥處理。結(jié)果表明:增塑纖維熔紡過程中發(fā)生了部分環(huán)化反應(yīng),這有助于降低環(huán)化反應(yīng)的活化能,減少了穩(wěn)定的放熱熱量,從而縮短穩(wěn)定階段的停留時(shí)間,但是最終得到的殘?zhí)苛柯缘?。陳磊等?3]以咪唑類離子液體為增塑劑,利用單螺桿擠出機(jī)制備了PAN/酶解木質(zhì)素共混纖維,之后用去離子水多次清洗以徹底除去纖維中的離子液體,并對(duì)纖維表面和斷面形貌進(jìn)行觀察。結(jié)果表明:酶解木質(zhì)素能夠在PAN基體中良好的分散,并與PAN之間的相容性較好。木質(zhì)素的加入導(dǎo)致PAN分子間的相互作用力減弱,破壞了大分子鏈的規(guī)整排列,從而降低了纖維的結(jié)晶度;復(fù)合纖維的熱穩(wěn)定性、殘?zhí)苛枯^純PAN纖維明顯提高。由于離子液體的高滲透性和熱穩(wěn)定性確保了增塑紡絲的高效性和環(huán)境友好性,因此,采用離子液體作為增塑劑來制備PAN熔紡纖維具有廣闊的應(yīng)用前景。

    3 結(jié)語

    采用化學(xué)法和物理法對(duì)PAN材料進(jìn)行改性研究,均能提升PAN材料的性能。相比于物理改性法,化學(xué)改性成本較高,但是改性材料的性能更加穩(wěn)定。物料改性具有操作簡單、成本較低等優(yōu)勢,但選擇共混物時(shí)需要考慮配比以及各組分之間的相容性。通過對(duì)PAN材料改性研究內(nèi)容的分析,目前改性研究方向主要集中在阻燃性能、力學(xué)性能、親水性能等方面,但取得的研究仍存在一定的局限性,仍需進(jìn)一步鞏固或開拓新的應(yīng)用領(lǐng)域。

    通過對(duì)這些研究成果的分析,筆者認(rèn)為未來PAN材料功能化改性研究主要集中在以下幾個(gè)方面:(1)PAN改性技術(shù)應(yīng)朝著更多功能化方向發(fā)展,將針對(duì)不同使用場景、要求來采用相應(yīng)的改性手法,以實(shí)現(xiàn)更好性能。此外,研發(fā)出更加高效的改性劑,來減少用量,降低成本;(2)目前PAN材料的改性研究主要集中在配方、改性劑的種類等方面,也可以在確定改性配方后,通過改變螺桿組合、轉(zhuǎn)速等工藝條件來進(jìn)一步進(jìn)行改性研究,提高其綜合性能;(3)綠色化發(fā)展作為當(dāng)今時(shí)代發(fā)展的潮流,因此在追求改性效果的同時(shí),應(yīng)盡量選擇可再生、綠色環(huán)保、對(duì)人體無毒無害的試劑來作為改性劑。

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