聚丙烯腈基碳纤维预氧化过程组成结构的演变

采用扫描电子显微镜、X射线衍射结构分析、裂解色谱-质谱、红外光谱等手段,探索了聚丙烯腈(PAN)基碳纤维预氧化过程中组成及结构演变的规律.预氧化初期,PAN丝束结构消失,呈半融状.共聚体首先参加反应,酯类等消失,分子发生环状交联,环化指数缓慢增加.预氧化初期与中期为环化反应最激烈阶段,易使结构固定化,形成结构性缺陷,应加强前期牵伸.预氧化中期重排形成新的片块堆垛束状结构,并逐步向片状扇形发散结构转变,框架结构在预氧化后期趋于稳定.此阶段,由于羧酯共聚体的诱发逐步形成非常稳定的环状结构,单体、二聚体、三聚体明显减少.预氧化后期只剩下含?/FONT>CN基的碎片,最后?/FONT>CN碎片亦消失,环化指数随预氧化过程升高, 结构形貌不再发生大的变化.     

用在位X-射线衍射技术对PAN纤维的动态热解特征和环化动力学的研究

本文用在位X-射线衍射技术研究了PAN(聚丙烯腈)纤维的预氧化过程。由广角测得不同温度下试样随热解时间而变化的一系列的解析谱图中计算出样品的结晶度、微晶尺寸、晶面间距和芳构化指数,并对这些参数随实验条件变化的瞬间情况给予了解释。同时,还描述了PAN纤维在预氧化过程中的环化动力学行为。求解了各温度下的环化反应速率和活化参数。     

PAN预氧丝环化程度的定量表征

应用恒温定长方法制备聚丙烯腈(PAN)预氧丝, 并测量该预氧丝长周期多层结构的小角X射线衍射谱. 解析图谱发现, 经不同预氧化时间所得预氧丝的长周期L均为11.7 nm; 当预氧时间从20 min增加到210 min, 预氧丝中环化结构相的体积分数X0/L从7.9％增加到86.5％. 而应用广角X射线衍射法测得同批的预氧丝试样环化指数AI值则小很多. 因此, 用X0/L定量表征预氧丝环化程度更为严格准确.     

聚铝碳硅烷纤维预氧化过程组成结构演变的研究

采用热重-差热分析、元素分析、扫描电子显微镜、凝胶渗透色谱、红外光谱和核磁共振等手段, 研究了聚铝碳硅烷(PACS)纤维预氧化过程中组成、结构演变的规律和反应机理. 结果表明, 空气中PACS纤维从210 ℃左右开始与氧发生放热反应; 随着预氧化温度的升高, 纤维的氧含量逐渐增加, 凝胶含量在氧增重为6～8 wt%时急剧增加, 纤维表面出现细小的微裂纹. 预氧化初期, 主要是Si—H键与氧的反应, 生成Si—O—Si键, 纤维的数均分子量急剧增加, 形成交联结构; 预氧化中期, Si—H键继续反应, Si—O—Si结构明显增多, 同时Si—CH₃和Si—H与氧反应, 生成少量的Si—O—C结构; 预氧化后期, 纤维完全交联, 纤维中存在SiC₄, SiC₃H, Si—O—Si和少量的Si—O—C结构.     

芳基高价碘盐诱导的亲电环化反应研究

亲电试剂诱导的环化反应是构建环状化合物的有效策略,而利用芳基高价碘盐作为亲电试剂诱导环化反应已经取得了诸多研究进展.在这些亲电环化反应中,高价碘盐不仅可以作为芳基化试剂诱导环化反应形成芳基取代环化物,还可以诱导苯并环化反应,形成苯并环状化合物.     

云点法研究丙烯腈共聚体系反应活性及其与热稳定性能的关联

采用滴定实验法分别测试了衣康酸(IA)、丙烯酰胺(AM)、丙烯酸甲酯(MA)与丙烯腈(AN)一系列单体组成比时的云点;采用红外光谱、示差扫描量热分析和热失重分析研究了共聚单体的选择对共聚物热稳定化反应的影响和机理及其与共聚体系反应活性的关联.结果显示,IA、AM或MA的引入有利于提高AN聚合体系的云点,不同共单体用量构成的云点迹线斜率可以比较共聚体系反应活性,并对AN共聚体系组成的优化选择具有普适性;而AN与IA较高的共聚反应活性使得P(AN/IA)聚合物热稳定性能好,氰基未环化指数、环化反应起始温度及表观活化能低,环化反应速率快,这可能由于IA分子结构含有2个羧基,引发活性点较多,可以在低温条件下引发氰基环化形成更多的梯形结构.     

聚酰亚胺/聚丙烯腈共混黑膜的制备及其结构与性能

采用共混的方法制备聚酰胺酸/聚丙烯腈(PAA/PAN)共混溶液.其中2种PAA溶液分别由二酐(3,3′,4,4′-联苯二酐(BPDA)与均苯四甲酸二酐(PMDA))和二胺(对苯二胺(PDA)与4,4′-二氨基二苯醚(ODA))均聚或共聚而得,N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)为溶剂,PAN溶于DMAc中制成溶液后与PAA溶液混合,涂膜后热处理制得聚酰亚胺(PI)/PAN共混薄膜.分析了PAA和PAN在热处理过程中的变化,以及PAN的加入量对共混薄膜的结构与性能的影响.结果表明,在热处理过程中,PAA完成了亚胺化成为PI,而PAN完成了预氧化,形成了稳定的梯形结构,制备出具有良好力学性能、黑色、不透光的薄膜,但是随着PAN含量的增加,体系发生明显的相分离,薄膜力学性能有所下降,(BPDA/PDA/ODA)PI中加入10%的PAN和(PMDA/ODA)PI中加入20%的PAN时能获得具有良好力学性能的黑色、低透光率的薄膜.     

含双偶氮生色团的环氧树脂类聚合物的合成与表征

通过重氮偶合反应制备了含氨基取代基的假芪型偶氮小分子,并将其再配制成重氮盐,在极性溶剂中与含苯胺残基的环氧前体聚合物进行重氮偶合反应,制备了3种含双偶氮生色团的环氧树脂基聚合物BP-2A-35-CN、BP-2A-35-NT和BP-2A-35-2NT.利用仪器分析手段对其结构和热性能进行了表征;采用干涉激光辐照的方法,研究了不同取代基团对聚合物的光致表面起伏光栅形成过程的影响.研究结果表明,在相同光照条件下,BP-2A-35-CN和BP-2A-35-NT膜表面可形成正弦波形起伏光栅,但BP-2A-35-2NT膜表面无法形成明显的起伏结构.     

聚合反应介质对丙烯腈/衣康酸共聚物结构与性能的影响

利用混合溶剂沉淀聚合法研究了水/环丁砜(H_2O/TMS)等4种不同聚合反应介质对丙烯腈/衣康酸(AN/IA)共聚物的转化率、重均分子量(Mw)及分布(D)、表面微观形貌、竞聚率及链结构、聚合物热性能和纺丝性能的影响.结果表明,P(AN/IA)聚合物转化率随着混合溶剂中H_2O含量的增加,呈先升高后降低的趋势.P(AN/IA)的Mw与水/溶剂比例成线性增加的关系,其中,以H_2O/TMS作为混合反应介质所制备P(AN/IA)的Mw最大,D最小(小于2).AN与IA以H_2O/TMS为聚合介质时倾向于理想共聚,2IA链段分布几率仅为2.87%.以H_2O/TMS为聚合体系所制备P(AN/IA)结构疏松、颗粒粒径较小且易溶解,预氧化时环化反应放热速率低、放热区间宽,热稳定化阶段形成耐热梯形结构反应所需能垒小.P(AN/IA)/TMS纺丝溶液的表观黏度低,TMS为PAN的良溶剂.     

一价铜催化的N-对甲基苯磺酰腙与3-丁炔-1-醇的串联反应:一种四氢呋喃类化合物的新合成方法

最近几年来,利用稳定的重氮类化合物和N-对甲基苯磺酰腙类化合物作为金属卡宾前体,在过渡金属催化下通过形成金属卡宾的偶联反应引起了人们广泛的兴趣.金属卡宾前体与有机金属物种反应,可以生成金属卡宾中间体,并发生金属上基团的转移插入过程,得到新的有机金属物种,从而实现丰富的偶联反应.这类经由金属卡宾转移插入过程的交叉偶联反应为构建C?C键,C?N键以及许多环状化合物和不饱和有机分子结构提供了可靠而强有力的工具.本课题组一直致力于研究该类经由金属卡宾中间体的催化转化和偶联反应,报道了在铜催化下,对甲苯磺酰腙以及重氮类化合物可以与端炔反应,通过所形成的炔基铜卡宾中间体的转移插入过程,可高效得到联烯类化合物.该类反应条件相对温和,并且有很好的底物普适性.不仅各种多取代的联烯类化合物,而且苯并呋喃,菲以及呋喃等结构都可由这类铜催化的腙和炔烃的偶联反应来得到.在这些反应中,通过炔基铜卡宾中间体上炔基的转移插入过程,在形成了C(Sp3)-Cu键以后,通过铜的1,3-迁移过程,可以得到联烯结构,随后发生分子内杂原子的亲核进攻或者6π电子环化过程来实现苯并呋喃,菲等杂环类结构的构建.另一方面,该类反应进一步拓展和研究,可望得到其他有价值的有机分子骨架.环状的醚类结构,如四氢呋喃结构,也是有机化合物中常见的结构类型,我们希望从目前已经发展成熟的卡宾前体与炔烃生成联烯的偶联反应出发,通过分子内的串联过程来高效地构建取代的环状醚类结构.我们设想,在炔烃上引入氧原子作为亲核试剂,在形成联烯化合物以后,通过分子内氧原子对联烯基的亲核进攻,来实现串联的分子内关环反应,从而构建环状醚类结构.本文以CuI为催化剂,3-丁炔-1-醇为炔烃偶联组分,采用二芳基对甲苯磺酰腙作为金属卡宾前体,实现了取代四氢呋喃的合成.在对甲苯磺酰腙与3-丁炔-1-醇类化合物发生偶联反应生成二芳基联烯基化合物以后,采用一锅法实现分子内的关环反应,从而生成亚烯基取代的四氢呋喃化合物.该串联反应不仅具有原料易得和操作较为简便等优点,而且底物普适性和官能团耐受性都较好,多种取代的二芳基腙类化合物都能以较好的收率得到目标产物,从而为四氢呋喃类化合物的合成提供了一种新的方法.该反应进一步展示了经由金属卡宾中间体的交叉偶联反应的普遍性,将在有机化学和有机合成领域具有广泛的研究和应用价值.     

一价铜催化的N-对甲基苯磺酰腙与3-丁炔-1-醇的串联反应:一种四氢呋喃类化合物的新合成方法（英文）

最近几年来,利用稳定的重氮类化合物和N-对甲基苯磺酰腙类化合物作为金属卡宾前体,在过渡金属催化下通过形成金属卡宾的偶联反应引起了人们广泛的兴趣.金属卡宾前体与有机金属物种反应,可以生成金属卡宾中间体,并发生金属上基团的转移插入过程,得到新的有机金属物种,从而实现丰富的偶联反应.这类经由金属卡宾转移插入过程的交叉偶联反应为构建C–C键,C–N键以及许多环状化合物和不饱和有机分子结构提供了可靠而强有力的工具.本课题组一直致力于研究该类经由金属卡宾中间体的催化转化和偶联反应,报道了在铜催化下,对甲苯磺酰腙以及重氮类化合物可以与端炔反应,通过所形成的炔基铜卡宾中间体的转移插入过程,可高效得到联烯类化合物.该类反应条件相对温和,并且有很好的底物普适性.不仅各种多取代的联烯类化合物,而且苯并呋喃,菲以及呋喃等结构都可由这类铜催化的腙和炔烃的偶联反应来得到.在这些反应中,通过炔基铜卡宾中间体上炔基的转移插入过程,在形成了C(Sp3)-Cu键以后,通过铜的1,3-迁移过程,可以得到联烯结构,随后发生分子内杂原子的亲核进攻或者6π电子环化过程来实现苯并呋喃,菲等杂环类结构的构建.另一方面,该类反应进一步拓展和研究,可望得到其他有价值的有机分子骨架.环状的醚类结构,如四氢呋喃结构,也是有机化合物中常见的结构类型,我们希望从目前已经发展成熟的卡宾前体与炔烃生成联烯的偶联反应出发,通过分子内的串联过程来高效地构建取代的环状醚类结构.我们设想,在炔烃上引入氧原子作为亲核试剂,在形成联烯化合物以后,通过分子内氧原子对联烯基的亲核进攻,来实现串联的分子内关环反应,从而构建环状醚类结构.本文以CuI为催化剂,3-丁炔-1-醇为炔烃偶联组分,采用二芳基对甲苯磺酰腙作为金属卡宾前体,实现了取代四氢呋喃的合成.在对甲苯磺酰腙与3-丁炔-1-醇类化合物发生偶联反应生成二芳基联烯基化合物以后,采用一锅法实现分子内的关环反应,从而生成亚烯基取代的四氢呋喃化合物.该串联反应不仅具有原料易得和操作较为简便等优点,而且底物普适性和官能团耐受性都较好,多种取代的二芳基腙类化合物都能以较好的收率得到目标产物,从而为四氢呋喃类化合物的合成提供了一种新的方法.该反应进一步展示了经由金属卡宾中间体的交叉偶联反应的普遍性,将在有机化学和有机合成领域具有广泛的研究和应用价值.     

多种谱学方法研究环氧乙烷/四氢呋喃共聚醚的热氧降解

采用电子自旋共振（ESR）、傅里叶变换红外光谱（FT－IR）和多种核磁共振（NMR）技术研究了环氧乙烷／四氢呋喃共聚醚的热氧降解,表 征了近20种产物结构碎片,并对EO和THF两种链节的降解作了定量讨论。共聚醚的氧化降解发生在醚键氧碳上,遵循自由基氧化机理,最后形成大量的甲酸酯、碳酸酯等酯类以及甲基、亚甲二氧基和醇,此外还检测到过氧化氢和半缩甲醛结构。分析表明共聚醚中THF链节的降解程度明显大于EO链节,而且降解容易发生在两种链节交替连接处。抗氧剂2,6－二叔丁基－4－甲基酚（BHT）不仅降低了共聚醚的氧化降解程度,还改变了降解产物的结构分布,显著抑制了碳酸酯和亚甲二氧基结构的生成,相对增加了羟基和端甲基结构。     

用在位X-射线衍射技术对PAN纤维的动态热解特征和环化动力学的研究

本文用在位Ｘ－射线衍射技术研究了ＰＡＮ（聚丙烯腈）纤维的预氧化过程。由广角测得不同温度下试样随热解时间而变化的一系列的解析谱图中计算出样品的结晶度、微晶尺寸、晶面间距和芳构化指数,并对这些参数随实验条件变化的瞬间情况给予了解释。同时,还描述了ＰＡＮ纤维在预氧化过程中的环化动力学行为。求解了各温度下的环化反应速率和活化参数。     

长链聚酰胺酸的热环化动力学

利用GPC、原位FTIR测定了长链聚酰胺酸PAA(由双酚A二酐与 4 ,4′ 二 (4 胺基苯氧基 )二苯酚制备 )的热环化过程 .结果表明 ,在升温热环化的初始阶段 ,聚合物环化的同时其分子链断裂成酐、胺端基分子链 ,相对数均分子量降低 ,薄膜渐脆 ;随着温度进一步的升高 ,酐、胺端基链又重新链合 ,相对数均分子量回升 ,薄膜重具韧性 ;恒温热环化存在两个明显的阶段 ,初期的快速阶段和后期的慢速阶段 ,表现出动力学中断的现象 .采用两步、一级动力学模型研究热环化并得出相关的动力学参数 (速率常数、活化能、指前因子等 ) .针对恒温热环化 ,建立动力学中断时亚胺化程度与温度的关联式 ,从构象转化与自由体积两个方面对动力学中断现象提出解释 ,并由实验数据得到了该关联式的相关参数     

分子筛型PAN-ACF制备及表面结构的XPS研究

以聚丙烯腈基活性炭纤维（PAN ACF）为原料,首次采用液相浸渍结合空气氧化的方 法,在较为温和的条件下改变原料的表面结构和孔隙结构,制备出具有分离N2/O2性能的分子 筛型PAN ACF.采用TGA DTA、电子天平及XPS技术分析表征了分子筛型PAN ACF的吸附性能 和表面结构.结果表明:浸渍煤焦油后的PAN ACF在100～400 ℃之间失重缓慢,是煤焦油中苯 环及杂环类化合物与纤维表面氧化接枝的过程;经350 ℃浸渍空气氧化ACF对N2/O2吸附量及 选择性均得到了显著提高,选择系数达到5.6;浸渍煤焦油的PAN ACF表面具有一定量的羟基 、醚基、羰基和羧基等含氧官能团,氧化过程中各类官能团含量发生改变,类石墨碳含量随浸 渍浓度增加而增大;浸渍氧化再炭化的结果使PAN ACF对N2/O2吸附选择性得到明显提高.     

聚丙烯腈纤维的预氧化过程的研究

本文通过差热分析、热机械行为、红外光谱、自由基浓度和模量的变化等实验,对采用均聚和共聚的两种聚丙烯腈原丝在氧化过程中出现的现象进行分析,可以看出均聚纤维的自由基反应引发环化较为明显,但由于存在水解反应,因此也存在离子型反应引发环化,而共聚纤维似以离子型引发为主。     

共聚单体对水相合成聚丙烯腈及其湿纺纤维结构与性能的影响

水相自由基聚合具有快速、高效的特点,是开发大规模、低成本的聚丙烯腈(PAN)基碳纤维原丝生产技术的首选工艺。本文采用该工艺制备了丙烯腈-衣康酸(P(AN-IA))和丙烯腈-醋酸乙烯酯(P(AN-VAc))两种共聚物,再经溶解和湿法纺丝将其制成纤维。采用傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR)、场发射扫描电子显微镜(SEM)、旋转流变仪、旋转粘度计、X-射线衍射仪(XRD)和差式扫描量热/热重同步分析仪(DSG/TG)对比研究了两种共聚单体对水相合成PAN聚合物及其湿纺纤维结构与性能的影响。结果表明,与醋酸乙烯酯(VAc)相比,衣康酸(IA)降低了PAN聚合物的颗粒团聚程度和溶液粘度,显著提高了PAN纤维的截面圆整度和结构致密性,大幅降低了热稳定化反应起始温度、提高了热稳定性。这主要归因于IA的两个羧基基团。其改善了PAN聚合物的亲水性,使凝固过程更加缓和;减弱了氰基间的作用力,提高PAN分子链的运动性;能够诱导氰基在低温下发生环化反应。     

氨化亚铜预处理聚丙烯腈纤维热稳定化作用的研究

本文用原位红外光谱法考察了用氯化亚铜(GuCl)预处理过的和未处理的聚丙烯睛(PAN)试样在空气和氮气条件下热稳定化过程。发现反应体系中的环化速率大于脱氢速率,环化反应在240—300℃间进行得最激烈。处理过的试样显示出芳香度发展得快,结构更加稳定。PAN结构中所结合的CuCl在空气中可提高环化速率约1.4倍(260℃),在氮气中可提高坏化速率约43％(340℃)。     

聚合物共混相态形成过程及其理论研究进展

聚合物共混过程中相态的形成及变化规律是近年来研究热点问题,这一动态过程将决定静态材料的结构与性能.聚合物共混形态结构发展的机理有初期破碎、中期分散及后期归并等机理.在共混初期,分散相尺寸较大,以细化为主.随着混合时间的增加,分散相逐渐细化,尺寸越来越小,细化也越来越难,在应力场的作用下,分散相粒子可能因碰撞而发生归并,归并与细化将逐渐达到平衡而形成稳定的结构.在混炼后期,剪切力减小,粒子发生有效碰撞归并概率增大.     

氨化亚铜预处理聚丙烯腈纤维热稳定化作用的研究

 本文用原位红外光谱法考察了用氯化亚铜(GuCl)预处理过的和未处理的聚丙烯睛(PAN)试样在空气和氮气条件下热稳定化过程。发现反应体系中的环化速率大于脱氢速率,环化反应在240—300℃间进行得最激烈。处理过的试样显示出芳香度发展得快,结构更加稳定。PAN结构中所结合的CuCl在空气中可提高环化速率约1.4倍(260℃),在氮气中可提高坏化速率约43％(340℃)。