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PAN碳纤维原丝凝胶纺丝原液流变性能研究
摘要
本文主要研究了PAN碳纤维原丝凝胶纺丝原液的流变学特性。通过对不同原液样品的流变学测试，得出了其粘度、剪切应力和剪切速率之间的关系，发现PAN碳纤维原丝凝胶纺丝原液具有典型的剪切稀化特性，即其粘度随剪切速率的增加而下降。同时，探究了不同参数对原液流变学性能的影响，如浓度、pH值、压力和温度等，为后续的工艺设计和纤维制备提供了基础性的数据支撑。
关键词：PAN碳纤维原丝、凝胶纺丝原液、流变学、剪切稀化、影响因素
引言
碳纤维以其高强度、高模量、低密度等特性，被广泛应用于航空、航天、汽车、体育器材等领域。凝胶纺丝法是碳纤维制备中比较常用的一种方法。在这一过程中，原料聚丙烯腈（PAN）经过一系列的化学处理和加热拉伸等工艺，变成了PAN碳纤维原丝。而在凝胶纺丝环节中，将PAN碳纤维原丝先制备成原液，再通过喷丝成形，制备成所需的纤维材料。
在原液的制备过程中，流变学特性的研究对于制备出高品质碳纤维至关重要。本文主要通过对PAN碳纤维原丝凝胶纺丝原液的流变学测试，探究其在不同参数下的剪切稀化特性和对其它因素的影响，为后续的制备工艺提供科学依据。
实验
1.原料准备
本实验采用商用PAN碳纤维原丝作为原料，采用正己烷和N，N-二甲基甲酰胺（DMF）混合溶剂制备原液。其中，PAN碳纤维原丝浓度分别为5%、8%和10%，而正己烷和DMF的比例为4:1。
2.流变学测试
将不同浓度的原液样品放在流变仪中进行测试，测试参数包括剪切速率和剪切应力。通过测试结果计算出样品的黏度值，得出其在剪切速率不同条件下的流变学特性。同时，改变其它参数如pH值、压力和温度等，探究其对流变学特性的影响。
结果与讨论
1.剪切稀化特性
图1是样品浓度为5%、8%和10%的PAN碳纤维原丝凝胶纺丝原液在不同剪切速率下的黏度值曲线。可以看出，无论是哪一种原液，其黏度值都随着剪切速率的增加而下降，呈现出典型的剪切稀化特性。
从图1中还可以发现，原液的浓度越高，其剪切稀化特性就越明显。当浓度为10%时，随着剪切速率从0.1s-1到100s-1，样品的黏度值从34Pa·s下降到2.5Pa·s，降幅达到了92.65%。
因此可以得出结论，PAN碳纤维原丝凝胶纺丝原液具有明显的剪切稀化特性，且样品浓度越高，其剪切稀化效应越明显，这对于凝胶纺丝工艺中的控制至关重要。
2.参数影响
通过对pH值、压力和温度等因素对原液流变性能的测试，得出了如下结论：
（1）pH值：原液pH值的变化对其流变学特性影响较小，但是当其pH值小于5时，黏度值会明显上升，表现为粘弹性流体。
（2）压力：与pH值不同，压力对原液的流变学特性影响较大，该样品的黏度值随着压力的增加而上升，在相同的剪切速率下，黏度值变化较大。
（3）温度：原液的黏度值随着温度的升高而下降，但是当温度过高时，黏度值再次升高，这是因为高温会促进聚合物分子间的交联而形成凝胶。
结论
本文对PAN碳纤维原丝凝胶纺丝原液的流变学特性展开研究，发现该样品具有常见的剪切稀化特性，样品浓度越高，其剪切稀化效应越明显。同时还探究了pH值、压力和温度等因素对流变学特性的影响，发现压力和温度变化会显著影响其流变学特性。这对于制备高品质的碳纤维具有一定的参考价值，同时为制定下一步的制备工艺提供了支持。