水对聚丙烯腈溶液热致变凝胶化的微观促进机理研究

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2023.09.001

中国塑料 ›› 2023, Vol. 37 ›› Issue (9): 1-7.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2023.09.001

• 材料与性能 •

水对聚丙烯腈溶液热致变凝胶化的微观促进机理研究

赵儒硕¹, 谭晶¹^,², 杨卫民¹^,², 缪顺福¹, 闵云杰¹, 程礼盛¹^,²(), 何雪涛¹^,²()

^1.北京化工大学机电工程学院，北京 100029
^2.北京化工大学有机无机复合材料国家重点实验室，北京 100029

收稿日期:2023-04-14 出版日期:2023-09-26 发布日期:2023-09-18
通讯作者: 程礼盛（1982—），男，副教授，从事高分子材料加工成型与先进制造研究，chengls@mail. buct. edu. cn
何雪涛（1963—），女，副教授，从事机械设计及理论研究，hext@mail.buct.edu.cn
E-mail:chengls@mail. buct. edu. cn;hext@mail.buct.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金面上项目(52073012)

Study on micro promotion mechanism of water on thermotropic gelation of polyacrylonitrile solution

ZHAO Rushuo¹, TAN Jing¹^,², YANG Weimin¹^,², MIAO Shunfu¹, MIN Yunjie¹, CHENG Lisheng¹^,²(), HE Xuetao¹^,²()

^1.School of Mechanical and Electrical Engineering，Beijing University of Chemical Technology，Beijing 100029，China
^2.State Key Laboratory of Organic Inorganic Composites，Beijing University of Chemical Technology，Beijing 100029，China

Received:2023-04-14 Online:2023-09-26 Published:2023-09-18
Contact: CHENG Lisheng, HE Xuetao E-mail:chengls@mail. buct. edu. cn;hext@mail.buct.edu.cn

摘要/Abstract

摘要：

使用分子动力学模拟作为研究方法，从微观层面上研究了聚丙烯腈（PAN）/二甲基亚砜（DMSO）/水（H₂O）混合溶液的热致变凝胶化过程，并明确了水的微观促进机理。结果表明，模拟计算得到的含水量为4 %（质量分数，下同）的三元体系的凝胶点温度在332.75 K附近，与文献报道的实验结果吻合；水会增加PAN分子链的振动幅度，增加氰基之间发生交联作用的概率，从而促进PAN溶液快速发生凝胶化转变；在一定的范围内，含水量越大，PAN的振动幅度越大；水减少了PAN周围DMSO分子的数量，增强PAN分子链的聚集程度，导致氰基之间更容易发生交联作用。

关键词: 热致变凝胶化, 聚丙烯腈, 凝胶纺丝, 分子动力学模拟, 原丝

Abstract:

The thermotropic gelation process of a polyacrylonitrile （PAN）/dimethyl sulfoxide （DMSO）/H₂O ternary solution system was investigated by molecular dynamics simulation at a microscopic level， and the microscopic promoting mechanism of water on the thermotropic gelation of the ternary solution system was determined. The results indicated that the ternary system with 4 wt% water exhibited a gel point temperature of around 332.75 K through the simulation. This result was consistent with the experimental results reported in literature. Water could increase the vibration amplitude of PAN molecular chain and the probability of cross⁃linking between cyanogen groups， thus promoting the rapid gelation of PAN solution. Within a certain range， the vibration amplitude of PAN increased with an increase in the water content. The introduction of water reduced the number of DMSO molecules around PAN and enhanced the aggregation degree of PAN molecular chains， causing a higher cross⁃linking degree between the cyanogen groups.

Key words: thermogenic gelation, polyacrylonitrile, gel spinning, molecular dynamics simulation, precursor

中图分类号:

TQ325.8

赵儒硕, 谭晶, 杨卫民, 缪顺福, 闵云杰, 程礼盛, 何雪涛. 水对聚丙烯腈溶液热致变凝胶化的微观促进机理研究[J]. 中国塑料, 2023, 37(9): 1-7.

ZHAO Rushuo, TAN Jing, YANG Weimin, MIAO Shunfu, MIN Yunjie, CHENG Lisheng, HE Xuetao. Study on micro promotion mechanism of water on thermotropic gelation of polyacrylonitrile solution[J]. China Plastics, 2023, 37(9): 1-7.

图/表 8

序号

PAN50分子数

（质量分数）/%

DMSO分子数

（质量分数）/%

水分子数

（质量分数）/%

9（20）

1 223（80）

1 162（76）

0（0）

266（4）

表1 不同体系中3种分子的分子数和质量分数

Tab.1 Molecular numbers and mass fractions of three molecules in different systems

图1 3种分子模型

Fig.1 Three molecular models

图2 模型示意图

Fig.2 Model schematic diagram

图3 PAN的扩散特性

Fig.3 Diffusion characteristics of PAN

图4 PAN的结构稳定性分析

Fig.4 Structural stability analysis of PAN

图5 不同凝胶体系的径向分布函数

Fig.5 Radial distribution function of different gel systems

图6 降温过程中不同的聚丙烯腈分子链间的相互运动快照

Fig.6 Snapshot of the interaction between different polyacrylonitrile molecular chains during cooling

图7 PAN的动力学特性

Fig.7 Dynamic properties of PAN

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