研究碳纤维在我国的发展历程,认为原丝是制约我国碳纤维发展的主要原因之一,而原丝质量的优劣在很大程度上取决于纺丝过程与物质扩散相关的工艺环节。恒神公司经过多年发展,突破高性能碳纤维原丝的制备技术,仍在不断优化凝固成型、水洗和干燥致密化过程,对提升碳纤维制备水平,降低生产成本具有重要意义。本论文在恒神公司特定的PAN原丝工业化生产线上研究了纺丝扩散过程的影响因素以及扩散对原丝结构和性能的影响。采用X光衍射(XRD)、光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)结合体密度、膨润度和物理机械性能测定等多种检测方法,研究了凝固、水洗及干燥致密化过程中溶剂DMSO和非溶剂H2O的扩散规律和对PAN纤维结构和性能的影响。得到以下研究成果:1.湿法纺丝凝固过程中,PAN初生丝条中溶剂(DMSO)不断减低,凝固剂(H2O)不断增加,双扩散逐渐达到平衡。研究发现,溶剂(DMSO)和凝固剂(H2O)的扩散速度均随原液中聚合物含量的增加而下降,随凝固浴温度的升高而加快,随凝固浴浓度的升高而降低,随凝固浴牵伸比的增大而增大。以此指导纺丝工艺参数设计方向,即通过合理的降低温度来降低凝固浴的凝固能力,然后通过浓度控制表层的凝固,最后通过适当的提高凝固浴牵伸比来增大初生纤维的取向度。2.在湿法纺丝过程中,研究了凝固扩散对原丝截面、表面沟槽、孔隙率和理化性能的影响,固含量、温度、浓度和牵伸的增加,更倾向于制备出截面形貌呈圆形的原丝。在一定范围内,凝固浴温度降低、浓度升高有利于PAN纤维表面沟槽的加深,双扩散速率受原液浓度和凝固浴温度浓度的影响,双扩散速率大,纤维孔隙率增加,原丝致密性下降。原液浓度、凝固浴温度、浓度及表观牵伸率存在最佳组合,在湿法纺丝中,采用原液固含量为20wt%,凝固浴条件为(温度:53℃,浓度:65wt%,牵伸:75%),可得到截面为圆形、性能优良且离散小的PAN原丝。3.在湿法纺丝过程中,研究了水洗过程中的溶剂扩散对原丝残留溶剂含量、纤维膨润度、结晶结构和原丝性能的影响,结果显示:提高水洗温度、水量及采用先牵伸后水洗的措施,可以有效降低PAN原丝中残留溶剂的含量。通过提高水洗牵伸倍数,可以有效降低纤维的膨润度,有利于上油的均匀性。PAN纤维中较高的残余溶剂,在受热过程对PAN纤维的溶解性增加,破坏PAN纤维截面形态、结晶结构,降低PAN原丝拉伸性能。在综合考虑运行成本的前提下,采用温度为75～95℃、水量为总产量的12倍、先牵伸后水洗的工艺,PAN原丝中残余溶剂含量小于300PPM,不影响后续预氧化碳化热处理过程。4.在湿法纺丝过程中,研究了干燥致密化过程温度和时间对水分逸出及对原丝结构和性能的影响,合理的工艺条件下,温度和时间增加,纤维晶粒尺寸和结晶度升高,纤维致密度提高,最终体现出原丝拉伸强度的提高和断裂伸长率的降低。最终确定了干燥致密化工艺范围,在135-145℃下致密化40s-60s可以得到孔隙率为6.35%,体密度为1.18g/cm3,性能优异的PAN原丝。5.对于恒神湿法纺丝生产线,采用溶液聚合,原液固含量为20wt%,凝固浴条件为(温度:53℃,浓度:65wt%,牵伸:75%),水洗温度范围为75～95℃,水洗水量为总产量的12倍,水洗牵伸为4.8倍,总牵伸为12倍,在135-145℃下致密化40s-60s,可得到截面为圆形、性能优良的原丝。采用此工艺制得了拉伸强度7.85cN/dtex(cv小于3%)、断裂伸长为13%的优质原丝,以此原丝制得拉伸强度达5.0GPa的碳纤维。且纺丝线在100m/min的速度下平稳运行,原丝制成率、定长率大于95%,最终制得的原丝合格率大于99%。原丝在预氧化、碳化过程中,工程通过性良好,碳丝合格率大于90%。